梯度氮离子束调控聚合物表面基团修饰增强摩擦电材料界面电荷传输

《Advanced Science》：Gradient Ion Beams Regulate Surface Group Modification to Enhance Interfacial Charge Transport in Triboelectric Polymers

本文提出一种梯度氮离子束辐照策略，通过精确剂量调控在PET聚合物表面构建极性官能团，实现摩擦电纳米发电机(TENG)性能的显著提升。研究结合DFT计算揭示了能带隙窄化与表面静电势(ESP)重分布协同增强电荷传输的分子机制，为高性能柔性电子器件提供了新途径。

　　

引言

随着智能系统与物联网(IoT)的快速发展，可穿戴设备等分布式智能设备对可持续能源供给提出迫切需求。摩擦电纳米发电机(TENG)因其高灵敏度和灵活性，能够将摩擦等机械能转化为电能，成为最有前景的微纳能源技术之一。然而，柔性聚合物充电材料固有的低表面电荷密度严重制约其电学性能。

材料与方法

研究采用100 keV氮离子束对100 μm厚PET薄膜进行梯度剂量辐照（5×10¹⁴、1×10¹⁵和1×10¹⁶ions/cm²）。通过SRIM模拟确定离子注入深度分布，利用XPS、Raman、ATR-FTIR等表征化学结构变化，并结合DFT计算能带结构与表面静电势分布。

结果与讨论

模拟与机理分析

SRIM模拟显示氮离子在PET中的投影深度为450 nm，峰值浓度达53 at%。DFT计算表明低剂量辐照使能带隙从3.263 eV降至1.926 eV，LUMO能级从-3.138 eV升至-2.993 eV，增强电子亲和性。表面静电势分布显示辐照后分子电子能量提升约4.3 Hartree，局部负电荷积累促进电荷传输。

电学性能分析

最优剂量(5×10¹⁴ions/cm²)使TENG输出电压、电流和表面电荷密度分别提升13倍(6.5 V)、10倍(1 μA)和7倍(51 C/m²)。C-AFM证实改性后未形成导电泄漏通路。电荷注入实验显示改性样品稳定性比纯电荷注入提升1440倍，八天测试性能波动小于±10%。

化学组成与结构特征

XPS分析显示低剂量辐照时C-O键含量从13.3%增至33.4%，结合能从286.6 eV移至285.8 eV，表明酯键断裂与极性基团形成。Raman光谱中D带与G带强度比(S_D/S_G)从0.61增至0.91，证实sp²杂化碳增加。FTIR在2330 cm^-1处出现新峰，对应氮相关极性键。

功能验证与分析

电容器充电测试显示改性TENG可将100 nF电容充电至6.13 V，能量转换效率提升372.7倍。频率响应测试在1-10 Hz范围内保持稳定输出，36000次循环后未出现性能衰减，展现优异耐磨性。

结论

研究通过梯度离子束辐照实现了聚合物表面分子结构的精确调控，阐明了能带窄化与极性增强协同提升电荷传输的机制。该方法为高性能摩擦电材料及柔性电子器件开发提供了新策略。