研究背景

随着智慧互联技术的高速发展，可穿戴设备、柔性电子等分布式智能终端正持续融入日益庞大的网络体系，这对支持海量传感器节点的能源供给方式提出了全新要求——即构建一种分布式、高适应性的高熵能源收集网络。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种可满足此类分布式供能需求的潜在技术路径，目前仍面临多项关键挑战：现有柔性起电材料普遍存在电输出性能有限、环境稳定性不足、微观结构调控与宏观电学性能之间的构效关系不够明确等核心科学问题，亟待深入探索与突破。因此我们急需一种能够在原子/分子层面有效研究起电机制，优化起电材料性能的改性策略。

文章概述

近日，烟台研究院樊勇副教授和北京大学付恩刚教授及其团队将核物理研究中的离子束技术与聚合物改性交叉结合，发展了针对柔性聚合物的梯度离子注入改性的原子级制造新策略。该工作设计了梯度剂量N离子束注入实验，精准调控PET表面分子基团-酯基的断裂，形成高活性自由基，同时连续注入的N离子与断裂分子链接枝生成含N化学键与极性基团。该分子基团调控策略将增大材料的电偶极矩，增强改性PET的分子极性，从提升宏观摩擦电性能。结合DFT计算进一步完善了表面传输电荷增强机制，改性后PET-5E14（5×10¹⁴ ions/cm²）表面分子的能量带隙由 3.263 eV 减小至 1.926 eV，带隙收缩有助于电子更易激发至导带底（LUMO），提高表界面电荷传输效率。表面静电势（ESP）分布也表明离子注入增大了PET 表面分子结构的电子能量（4.3哈特里），这归因于价带顶（HOMO）的升高和带隙的同步缩小，这一计算结果表明局部存在负电荷的聚集，尤其是在电子云密度较高的区域，这些低电位区域对带正电物质（如质子和阳离子）表现出更强的静电吸引力，从而提高电荷传输密度。

制备的TENG器件展现出优异的电学性能。PET-5E14相较于原始PET的输出电压、电流及表面电荷密度分别提升13倍、10倍和7倍，充电电压提升了18倍，并且能够在400秒内将100 nF的电容器充至6.13 V，能量转换效率提升327.7倍。采用纯电荷注入方式的PET-5E14的电输出性能仅在8分钟便衰减至原始水平，离子注入的PET的性能稳定性至少提升1440倍。同时，PET-5E14经历约36000次垂直接触分离的循环测试后，电学性能仍表现出卓越的稳定性，材料耐磨性能得到显著提升。

该成果以“Gradient Ion Beams Regulate Surface Group Modification to Enhance Interfacial Charge”为题发表在综合领域顶级期刊《Advanced Science》上。原文链接：https://doi.org/ 10.1002/advs.202518257。

图文导读

图1.（A）SRIM模拟N离子注入的辐照损伤与浓度分布；（B）梯度剂量N离子注入对于表面分子结构的不同调控路径；（C）DFT计算离子注入引起的能量带隙和静电势变化。

图2.（A）TENG的结构与工作方式示意图；纯电荷注入PET（B）与PET-5E14（C）的电性能长寿命实验；（D）改性的PET充放电性能；（E）PET-5E14电性能经过36000次循环保持稳定；（F）基于高性能智能柔性起电材料的可应用领域。

总结

综上所述，离子束技术-原子级制造策略可以实现化学键的定向重构及极性基团的定制化设计，同时为可穿戴设备传感，柔性电子以及生物医学材料领域的发展提供了新的改性理论。

期刊介绍：

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