摩擦电纳米发电机（TENGs）由于设备结构简单、材料兼容性强、重量轻以及输出电压高，已成为从周围环境中收集低频机械能量的有前景的技术。[1],[2],[3] 自首次展示以来，人们通过表面微纳结构优化[4],[5]、材料改进[6],[7],[8]、介电工程设计[10]以及设备架构设计[11],[12],[13]等方式不断努力提升其性能。这些策略极大地扩展了TENGs的应用范围，包括自供电传感器[14]、可穿戴电子设备[15]和分布式能量收集系统[16]。然而，其基本工作原理仍然主要基于传统的接触电化机制。在典型的接触-分离型TENG中，两种不同材料界面产生的摩擦电荷在分离时建立静电势，从而通过外部电路实现电荷传输。[17],[18]
尽管取得了显著进展[19]，但传统TENG的输出性能普遍被认为受到最大可实现摩擦电表面电荷密度的根本限制。[20] 这一限制通常归因于外部因素，如空气击穿、静电屏蔽、电荷泄漏和表面陷阱态的饱和，这些因素共同抑制了接触-分离循环中的进一步电荷积累。[21],[22] 因此，大多数性能提升策略依赖于被动方法，例如扩大接触面积[23]、堆叠多个TENG单元[24]或引入外部电荷泵送或电源管理电路[25],[26],[27]。虽然这些方法可以改善输出指标，但它们并没有从根本上改变TENG的内部电荷调节机制，在该机制中，摩擦电荷密度通常被视为一种固有的、被动形成的材料属性。
最近的理论和实验研究表明，TENGs本质上是受麦克斯韦方程和位移电流理论支配的静电系统[28],[29]，而不仅仅是纯粹的现象学接触电化装置。在这种静电框架下，TENG的电输出由机械运动驱动的耦合电容网络中的电荷动态重新分布决定。这一观点表明，所谓的摩擦电电荷密度限制可能并非固有的静电束缚，而是由于缺乏内部静电调节所致。然而，在传统的TENG架构中，缺乏内部栅控元件，无法在设备运行过程中主动调节有效表面电荷密度。最近的一些研究探索了TENG系统中的静电调节和电荷管理策略[30],[31],[32],[33]。这些研究表明，引入类似场效应的机制可以实现电荷传输和积累的主动控制，有可能克服长期的摩擦电电荷密度限制。然而，目前仍缺乏一个严格的物理框架来建立机械运动、静电栅控和TENG中电荷放大之间的一一对应关系。在以往的研究中[34],[35],[36]，“类晶体管”描述主要指的是几何配置、相反电荷增强、模块化结构优化或动态界面电荷重新分布，而没有明确引入静电栅控机制或阈值控制的电荷调节。
在本研究中，提出了一种场效应调控型摩擦电纳米发电机（F-TENG），在负摩擦电侧引入了机械控制的静电结构。通过一个由介电层隔开的浮动电极，机械分离通过电容耦合产生有效的栅极电压，使得在传统摩擦电平衡状态之外实现场效应辅助的电子注入。这种设计建立了F-TENG与金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）之间的严格类比，形成了包括摩擦电主导、场效应增强和饱和阶段的完整传输特性。自洽的静电模型和系统的实验表征表明，常见的摩擦电表面电荷密度限制源于缺乏内部静电调节机制，而非固有的束缚。这项工作重新定义了摩擦电纳米发电机的工作原理和性能上限，提供了一个统一的物理框架，将机械位移、静电栅控和电荷传输联系起来，为高性能机械能量收集和自供电电子系统提供了一条通用的、与材料无关的途径。
