提高摩擦起电材料的传输电荷密度及研究其内在的起电机制对于开发更清洁高效的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG））及支持快速发展的物联网及元宇宙至关重要。但是，聚合物的复杂结构，导致决定起电材料极性和带电强度的因素很难确定，很少有研究可以提供规范指导，以扩展到更多的材料。缺乏有效的实验方法来操纵聚合物的分子结构是这一研究的主要障碍之一。
离子注入由于其辐照面积可控、辐照剂量可调、辐照效果均匀等特点，在表面物理学中备受关注。付恩刚教授课题组与合作者将离子注入技术应用于摩擦起电材料的性能与机制研究中，制备得到了高转移电荷密度的超负电性起电聚合物，并能进一步阐明分子结构与接触起电能力之间的物理机制。相关研究进展以“Negative triboelectric polymers with ultrahigh charge density produced by ion implantation”发表于期刊Nano Energy（影响因子：17.881）。
聚四氟乙烯（PTFE）和氟化乙烯丙烯 (FEP)薄膜由于其优异的吸电子（EW）能力和简单的分子结构，是研究超负起电聚合物和分子结构调控机制的绝佳候选材料。对此，研究团队设计了一种基于N离子注入的新改性策略以产生新的化学基团，来实现超高负摩擦电聚合物。改性氟化聚合物在摩擦电系列中表现出最负的摩擦电极性。改性后的PTFE和FEP薄膜与原始样品相比，电压提高了4-6倍，表面电荷密度提高了4-8倍（125 μC/m2和230 μC/m2），峰值功率提高了上千倍（5 nW→35 μW）。
离子注入技术在摩擦电聚合物的应用有助于进一步阐明分子结构与接触带电能力之间的潜在机制。通过 XPS、FTIR和拉曼测量，研究团队发现在离子注入过程中生成了大量的极性键。揭示了注入剂量导致不同的分子结构重组的物理机制：强的含氮极性键和不饱和键（C=N，C≡N）打破 PTFE的空间结构对称性，提高基团的极性和电负性，将它们转化为极性聚合物，加强电子云重叠以增强EW能力，从而准确地调节其带电特性。同时，更强的极性使材料的介电常数加倍，并进一步提高材料的储能密度，扩宽了应用范围。本工作为通过微观调控极性制造先进的摩擦电聚合物提供了理论指导和实验基础。
本工作的第一作者为北京大学物理学院博士生樊勇与北京纳米能源所博士生李书瑶，通讯作者为北京大学物理学院付恩刚教授和北京纳米能源所陈翔宇研究员。此工作得到了国家自然科学基金项目，国家磁约束核聚变能研究专项，北京自然科学金，北京大学核技术应用实验室的大力支持，由北京大学，北京纳米能源所、厦门大学、武汉大学等科研单位合作完成。
图1. 超负起电材料的优异性能：（a）离子注入调控分子结构示意图；（b）起电材料负电性排序，其中原始FEP是已报道的最负起电材料；（c）离子注入后的样品比之前的研究工作表现出更优异的表面传输电荷和输出电流；（d）和（e）离子注入后的样品与原始FEP组合成TENG器件输出的电荷密度和电压
图2. 改性材料的介电性能和起电性能提升机制。不同离子注入剂量下的PTEF薄膜的介电性能：（a）PTFE薄膜的最大储能密度与介电性能的关系。（b）由介电常数极端的各注入剂量改性的PTFE薄膜的最大表面累积电荷 (Q) 。（c）N离子注入改性过程示意图：在低注入剂量下，链端形成不饱和键；在高剂量下形成链间的不饱和键和饱和键
图3. PET& FEP-1E14 柔性TENG的应用。（a）设备示意图。（b）基于（a）的真实设备图片，可连续点亮20个LED灯。（c）峰值功率对电阻的依赖性。(d）使用该设备时不同电容器的充电电压曲线。气体浓度检测应用：当接触不同浓度的乙醇气体（e）和（f）水蒸气时，输出不同感应电压
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106574
