中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员：深耕复合与耦合纳米发电机

近年来，由于铁电材料具有特殊的光伏特性，能将光能直接转换为电能，故此引起了科学家的广泛关注。出于提高铁电光伏器件的量子效率以及填充因子等原因，近年来业内展开了不少研究，并主要集中在能带工程和电极工程上。

然而，在铁电材料多功能的应用上，相关研究还很少。实现铁电光伏特性与其他功能特性的耦合具有重要意义，铁材料中各种物理性质的相互作用也应得到关注。

铁电材料的光伏与其他物理特性耦合的意义

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中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员，曾在《压电-热电-光电耦合增强钛酸钡材料的电荷量》（Piezo–pyro–photoelectric effects induced coupling enhancement of charge quantity in BaTiO3 materials for simultaneously scavenging light and vibration energies）这项研究中，重点研究了压电和光伏的耦合增强效应，相关论文发表在Energy & Environmental Science上[1]。

该论文报道了通过压电-热电-光电耦合效应，他实现了电荷量的耦合增强，为微纳能源和自供电传感器系统的潜在应用带来了巨大前景，并借此研究了在不同工作条件下，光伏性能的影响因素、以及钛酸钡中压电和光伏效应的相互作用。北京发电机###http://www.1688baifa.com

当使用铁电材料的光伏特性收集光能，用压电效应收集风能，同时进行光照和吹风时，所产生的电荷量远远大于两者之间的加和。具体来说，耦合在一起产生的电荷量远大于两者分别产生的电荷量加和，这种现象就叫耦合增强效应，此外，耦合增强效应中还存在一些新的物理机制。他观察到，铁电光伏性能的调控与钛酸钡的压电系数直接相关，这种材料的压电系数会随着器件温度降低而增加。通过同时施加振动和风，可观察到该器件的温度下降，从而获得最佳的充电性能。比如，一个4.7μF 的电容可以在 20 秒内很容易地充电到 0.44 V。

此外，随着自供电传感器的快速发展，对从周围环境产生清洁能源提出了需求。由于铁电光伏器件可以产生其本身带隙以上的光伏电压，可直接将光能转换为电能的能力，也吸引了科学家们的目光。迄今为止，许多铁电体包括 Pb（Zr、Ti）O3（PZT）、BiFeO3（BFO）和 BaTiO3（BTO）等材料已被用作铁电光伏器件，在能量捕获、计算存储器和光机械器件等领域具有很大的实际应用前景。北京发电机###http://www.1688baifa.com

深耕复合与耦合纳米发电机

在耦合纳米发电机方面，杨亚研究员的研究成果在国际上也具有大的影响力。2020年，他出版了一本有关复合与耦合纳米发电机的书，书名叫《复合与耦合纳米发电机：设计、性能与应用》[2]，由全球历史最悠久的学术出版商之一 Wiley 出版。围绕复合与耦合纳米发电机，该书介绍了最近十年在复合与耦合纳米发电机方面的详细发展历程，以及对于未来发展方向的预测。

图 | 《复合与耦合纳米发电机：设计、性能与应用》[2]封面 （来源：杨亚）

复合纳米发电机的原理是，通过集成机械能、光能和热能发电器件，把几种不同发电机集成在一个系统里，去研究它们的输出性能和电源管理，从而实现对外输出稳定直流发电的作用。

最近几年，杨亚研究员提出并开展了关于耦合纳米发电机方面研究，这种设备不再是简单的系统集成，而是转向从材料角度去做耦合发电。研究中，他要寻找既能收集光能、又能收集热能和机械能的材料。其好处在于，一方面可大大降低材料的制造成本；另一方面，可做出较高的阵列化像素，从而提高基于纳米发电机的自驱动多功能传感分辨率。同时，其中也会出现新的耦合物理机制。

在做热电和光电时，杨亚研究员发现如果同时施加光照和制冷，两者之间会有相互影响，并产生 1+1＞2 的效果即耦合增强。通常把两个物理量放在一起，大多数情况都是耦合削弱，原因在于其中涉及到两个物理量的内阻不匹配问题。但是，杨亚研究员带领的团队首次在这项工作中发现了耦合增强效应，这个是每个人所希望但是很难做出来的。北京发电机###http://www.1688baifa.com

这项工作向铁电光伏性能的高效调控迈出了重要的一步，这为铁电材料在微纳能源和自驱动传感器的潜在应用带来了巨大的前景。下一步，杨亚研究员带领的团队仍会继续研究和发展复合与耦合纳米发电机，先是弄清楚相关的物理机制，然后发展一些关于复合与耦合纳米发电机的新的应用，再就是结合纳米发电机和传感器，做一些交叉性工作。前几年他带领的团队做了大量关于复合纳米发电机的工作，尽管在材料上无需花费过多精力，但是需要不断优化器件，以获得最好的输出性能。后面慢慢转向耦合纳米发电机，耦合纳米发电机的难度要求高，首先要进行材料设计，然后将设计好的材料用于做器件，然后才能测试器件性能，以及研究在特定场景的应用。

耦合纳米发电机可以用来实现光电流极性调控，杨亚研究员发表在Nature Electronics北京发电机###http://www.1688baifa.com的论文[3]进行了详细的描述，通过两种物理效应（比如光电和热电）结合光波长可以用来实现光电流极性的翻转，在不同的光波长下展现出正和负的电流信号。耦合纳米发电机的另外一个主要应用场景就是多功能触觉传感器。杨亚研究员正进行多功能触觉传感器相关的项目，所基于的前期技术来自此前他在Science Advances发表的论文[4]。在那篇论文中，他提出一种多功能传感器。

杨亚研究员表示，多功能触觉传感器是机器人发展的核心关键零部件，也目前是中国亟需攻克的卡脖子技术难题之一。传统触觉传感器只能实现单一传感功能，比如只能传感温度或者压力。而多功能触觉传感器既能传感温度、又能传感压力，还可进行材料识别，未来智能机器人方面有巨大的应用前景。当机器手触摸物体时，触摸行为就会产生电信号。通过对该信号的采集，就能知道这是什么材料。比如，触摸到一个杯子马上就知道它是杯子，触摸到人的皮肤马上就知道这是人的皮肤。

鉴于杨亚研究员在复合与耦合纳米发电机方面做出的创新研究成果，2021 年他获得了 Nano Energy 奖。获奖理由为：Professor Ya Yang was selected for achieving significant progress in hybridized and coupled nanogenerators for realizing the multi-energy scavenging and multi-functional sensing applications. 杨亚研究员在复合与耦合纳米发电机用于多能收集和多功能传感方面做出了创新研究成果。北京发电机###http://www.1688baifa.com

图 | 王中林院士（左）颁发 2021 年 Nano Energy 奖给杨亚研究员（右）（来源：杨亚）

杨亚研究员师从王中林院士和张跃院士，他的研究聚焦在基于铁电材料的纳米发电机和自驱动传感器系统，他出版了 1 本书和 200 余篇 SCI 论文，发表在Nature Electronics北京发电机###http://www.1688baifa.com、Nature Communications、Science Advances等杂志上，其中发表的论文被引用 14000 多次，H 指数为 74。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体如Nature Photonics、AAAS、Cell Press、The Guardian等作为亮点报道。担任Nanoenergy Advances主编，InfoMat、Nano-Micro Letters、SmartMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials、Nanoscale Advances和Energies杂志编委委员，Research、iScience、Nanomaterials和Energies杂志Guest Editor，以及Nature、Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊审稿人。他的研究兴趣包括铁电材料与器件、复合与耦合纳米发电机以及自供电传感器。

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