金属-GaN界面处由摩擦电效应引起的异常摩擦电压效应

《Joule》：Triboelectric-induced abnormal tribovoltaic effect at the metal-GaN interface

【字体：大中小】 时间：2026年05月20日 来源：Joule 38.6

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　　何明凯|张志|周毅|丁莉|于博阳|徐子杰|于文波|何家庆|张驰|王中林中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所，中国北京101400摘要滑动金属-半导体接触可以通过摩擦电压效应产生直流电，但其机制仍不清楚。在这里，我们展示了在金属-氮化镓（GaN）界面滑动可以一致地反转界面电荷分布

何明凯|张志|周毅|丁莉|于博阳|徐子杰|于文波|何家庆|张驰|王中林

中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所，中国北京101400

摘要

滑动金属-半导体接触可以通过摩擦电压效应产生直流电，但其机制仍不清楚。在这里，我们展示了在金属-氮化镓（GaN）界面滑动可以一致地反转界面电荷分布和输出极性，同时产生较大的宏观电压。开尔文探针力显微镜揭示，这种反转与摩擦驱动的静电场有关，而这种静电场无法用经典的准平衡摩擦电学理论来解释。密度泛函计算表明，摩擦可以注入大量的界面能量，这与非平衡界面充电和载流子激发是一致的。随后，我们展示了基于GaN的摩擦电压发电机，能够输出超过1200伏的开路直流电压。这些发现强调了在动态界面理解摩擦电学的一个重要非平衡途径，并为摩擦驱动的高压发电机在机械能到电能转换中的应用开辟了机会。

引言

摩擦电学，也称为接触电学（CE），是指通过材料之间的接触或滑动产生静电荷。这一效应自古以来就引起了人类的兴趣，¹，随着摩擦电技术在工程应用中的最新进展，它现在为物联网、传感器网络和医疗设备提供了潜在的能源供应途径。²^,³^,⁴ 在过去的几十年中，已经提出了包括电子⁵^,⁶、离子⁷^,⁸和材料转移⁹^,¹⁰在内的多种模型来解释其微观起源。然而，越来越多的实验证据表明，其机制更为复杂且涉及多种因素。¹¹^,¹² 包括表面曲率¹³、偶极极化¹⁴等在内的因素¹⁵^,¹⁶^,¹⁷都强烈影响摩擦电学特性。尽管如此，现有的模型假设接触电学和动态摩擦电学共享相同的准平衡费米能级对齐机制，而很大程度上忽略了动态界面处摩擦能量注入的积极作用。这一局限性在最近发现的摩擦电压效应（TVE）中变得明显，其中金属和半导体之间的连续接触滑动会产生直流电输出。最初在MoS?中的演示以及TVE概念的正式提出¹⁸激发了后续的研究²⁰^,²¹。早期对中带隙半导体的研究表明，开路电压通常低于1伏，与带隙相当，输出极性与内置场一致²²^,²³^,²⁴，这些行为表明了一种类似光伏的机制²⁰。然而，我们之前的工作揭示了在n型氮化镓（nGaN）界面处输出极性的意外反转，其中摩擦电压与理论上的内置场相反²⁵，表明界面场发生了摩擦诱导的反转。这一推断直接与经典接触电学预期相矛盾，因为在接触金属或其他p型半导体时，n型半导体倾向于捐赠电子并带正电。相反，nGaN表面似乎带负电，从而反转了界面场。这些发现指出了一个超出传统内置场的额外非平衡机制。

在这项工作中，我们通过综合实验-理论方法解决了这一知识空白。在宏观层面上，我们使用不同的金属接触和GaN掺杂类型系统地表征了金属-GaN TVE系统中的极性反转。在微观层面上，我们使用开尔文探针力显微镜（KPFM）直接绘制了GaN-金属界面处摩擦诱导的表面电位变化。结合实验结果和密度泛函理论（DFT）对滑动界面的分析，我们探讨了摩擦能量注入这一先前被忽视但不可或缺的驱动力如何诱导出与内置场相反的摩擦电场以及半导体中的载流子激发。随后，我们设计并展示了能够输出千伏级电压的集成摩擦电压器件。这项研究阐明了控制GaN等宽带隙半导体中TVE的基本物理机制，并为具有高电压直流输出的集成摩擦电能收集器件奠定了基础。

章节片段

宏观输出极性的反转

我们首先对金属-GaN界面中的TVE进行了宏观测量。如图1A所示，构建了一个往复滑动配置来研究电输出特性（实验细节见方法部分）。值得注意的是，nGaN和无意掺杂的GaN（uGaN）的输出极性与p型GaN（pGaN）相反。更有趣的是，n/u-GaN和pGaN的输出方向都与它们各自的内置电场相反

讨论

我们的结果表明，在动态金属-GaN界面处，摩擦诱导的接触电荷转移与静态的准平衡情况有根本不同。在多种金属和GaN掺杂类型中，摩擦电压的极性始终朝着与内置场相反的方向发展，KPFM直接解析了相应的表面电位特征及其在滑动停止后的松弛过程。这些结果证实了摩擦在

样品制备和输出测量

本研究中使用的所有GaN晶圆均为直径2英寸的汽相外延薄膜，厚度为4 ± 0.5 μm，具有纤锌矿晶体结构和c面（0001）取向。这些薄膜沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上，该缓冲层位于430 μm厚的蓝宝石基底上（由中国东莞的第三代半导体公司提供）。uGaN薄膜为名义上的未掺杂（n型），而nGaN薄膜掺杂了浓度在1 × 10¹⁷到1 × 10¹⁹ cm^?3范围内的硅

联系人

zhong.wang@mse.gatech.edu）。

材料可用性

数据和代码的可用性

致谢

国家自然科学基金（资助编号：52192610和52450006）、广东省先进热电材料与器件物理重点实验室（资助编号：2024B1212010001）、北京市自然科学基金（资助编号：L258001）、深圳市杰出人才培训基金（资助编号：202108）以及广东省计划（资助编号：2024JC08A027）的支持。

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