基于二维材料器件的集成自供电传感器

随着物联网（IoT）的发展，人类社会对清洁能源和大规模传感系统的需求日益增加。摩擦电/压电纳米发电机（TENG/PENG）作为一种新型的发电终端可以收集周围的能量并将其转化为电能，引起了人们的广泛关注。为了提高纳米发电机（NG）的输出性能并使相关应用多样化，具有高载流子迁移率和优异压电性能的二维材料可以直接用作或集成为不同类型的自供电传感器。
近日，来自北京纳米能源与纳米系统研究所的王中林教授和孙其君研究员领导的研究团队在Advanced Functional Materials上以Integrated Self-powered Sensors Based on 2D Material Devices为题发表综述文章，系统介绍了二维材料优异的压电和光电性能，介绍了用于TENG的二维材料的摩擦学系列。文章根据其不同的结构和组成总结了基于二维材料的集成自供电传感器的类别，从五个方面详细讨论了基于二维材料的集成自供电传感器的最新应用。最后，文章介绍了自供电传感器研究领域面临的挑战和展望。文章指出，基于二维材料的自供电传感器将在生物医学、环境检测、人体运动监测、能量采集和智能可穿戴设备中具有巨大的应用前景。

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图1. 基于二维材料的自供电纳米发电机传感器的应用。
图源：Advanced Functional Materials (2022).

随着当前经济和技术的快速持续发展，传统能源供应面临着日益严重的短缺。化石燃料的不断开发利用对人类生活环境造成了严重危害。因此，新能源的开发利用已成为人类社会发展中必须解决的重要问题。
由于可再生能源的开发和利用越来越受到重视，一些常见的可再生清洁能源，如太阳能、风能和海洋能已成功收集并转化为电能。然而，这些能量转换装置主要基于电磁转换或光伏效应，这些装置的制造和维护将消耗大量人力和财力。在这种情况下，纳米发电机（NGs）因其低成本、零功耗、环保性和强稳定性而得到应用。
同时，近年来物联网作为全球信息产业的核心，得到了迅速发展。对高集成度、简单、便携和易于商业化的追求推动了传感器在生活中的应用。随着物联网的发展，物联网在技术领域也面临着越来越多的挑战。
传感器作为物联网不可或缺的组成部分，已经成为物联网发展的最大障碍。作为传感器的传统能源，虽然每个单元的功耗可以降低到微瓦级，但在形成大规模网络应用时，总功耗惊人，这不仅影响传感器的寿命，还带来环境污染。
在这方面，科学家们试图用基于NGs的自供电传感器来解决这个问题，这种传感器可以在没有外部电源的情况下连续工作。由摩擦电/压电纳米发电机（TENG/PENG）产生的电信号可以很容易地用作传感器的能量源和传感器检测到的输出信号，传感器本身作为自供电传感器或集成到自供电系统中进行了深入研究。
2004年石墨烯的成功剥离激发了对二维材料族的深入研究。近年来，相关的二维材料因其独特的特性和功能引起了学者们的关注。例如，王中林等人通过实验证明了二维范德华半导体MoS2的压电性能，并首次将压电电子学/压电光电电子学的概念引入二维领域。
由于TENG的大内阻和PENG所需的特殊材料，设备的总输出功率在一定程度上受到限制。二维材料的优异性能和高载流子迁移率正好弥补了这个问题。二维材料由于其在材料内部可有效调节电荷传输和改善电荷载流子迁移率的优点也引起了广泛关注。因此，具有优异性能的NGs和二维材料的集成不仅可以提高能量转换效率，还可以丰富相关应用，可以更好地用于能量收集和自供电系统。
在这篇综述中，作者详细介绍了基于二维材料的集成自供电传感器。首先，文章讨论了二维材料的典型压电和光电特性，然后讨论了用于TENG器件的二维材料的摩擦学系列。然后，文章详细介绍了基于不同二维材料的TENG/PENG自供电传感器。这些二维材料包括石墨烯、类石墨烯、过渡金属二卤化物（TMD）、主族金属二卤素化合物（MDC）、合金和异质结构。最后，文章进一步讨论了基于二维材料的TENG/PENG自供电传感器在不同领域的应用：人体运动监测、能量采集、生物医学工程、环境监测、人工智能（AI）和神经形态设备。


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图2. 用于纳米发电机的自供电传感器的二维材料的压电特性。
图源：Advanced Functional Materials (2022).

自从人们发现第一种二维材料（石墨烯）以来，二维材料的研究已成为一个热门方向。随后制备了一些其他二维材料，如类石墨烯材料（MXene、h-BN等）、TMD（MoS2、WS2、WSe2等）、MDC（SnSe、GeS、SnS、GaSe、GaS等）、合金和异质结构等。
自从发现了MoS2的压电特性后，压电电子学和压电光子学的概念首次引入二维领域。压电材料的一个决定性条件是其结构具有不对称中心。对于没有压电性的二维材料，如石墨烯，可以通过人工将不对称中心引入晶体结构或通过表面改性工程和结构控制过程来实现压电性。
而二维材料的光学性质随层数的变化可通过以下方法进行表征，如光学对比度光谱、瑞利散射、拉曼光谱、光学吸收光谱和光致发光光谱。随着二维材料层数量的增加，这些光谱的峰值、强度、线宽或线型可能会发生显著变化，或者可能会出现一些新的光学特征。在报道的工作中，大面积石墨烯薄膜、二维 ZnO、Gr、Si、Gr/ZnO、Gr/Si和ZnO/Gr/Si异质结构具有优异的光学性能。同时，TMD由于其半导体特性和光谱范围内的高吸收系数，具有优异的光电性能。
然而，由于TENG的大内阻和PENG的特殊材料要求，输出电流很小，设备的总输出功率受到限制。因此，TENG/PENG和二维材料的集成可以有效提高输出功率和能量转换效率。
基于不同种类二维材料的NG自供电传感器已应用于许多领域，如人体运动传感、能量采集、生物医学工程、环境监测、人工智能和神经形态计算。
可以预见，这项技术的进一步发展将带来更大的意义，它不仅将提高传感器的性能，还将更好地服务于人们日常生活中的活动。本文总结了二维材料优异的压电和光电性能、摩擦电系列以及基于各种二维材料的自供电传感器及其应用。


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图3. 基于石墨烯材料的自供电纳米发电机传感器。
图源：Advanced Functional Materials (2022).

纳米能源的另一个应用是自驱动传感系统，它解决了限制物联网发展的微功率问题，从而实现了无人值守条件下无线传感器的稳定性和可靠性。因此，在NGs的工作过程中，高能量转换效率和输出性能非常重要。
文章建议，可以考虑将二维材料与NGs更好地集成，以实现器件的整体输出性能。例如，对于二维石墨烯，增加石墨烯结构中的层数可以改善其功函数，从而提高基于石墨烯的NG传感器的能量转换效率。引入二维 MXene纳米片进行介电调制可以提高基于MXene的NG传感器的介电常数和表面电荷密度。
由于不同的二维材料具有不同的电子带结构、光学和电学特性，特别是，结构匹配和功能互补的二维异质结材料在自供电TENG/PENG传感器的制造中起着非常重要的作用。通过计算和仿真从众多二维材料中选择合适的材料是自供电传感器研究中的一个关键问题。
与此同时，器件的结构设计原则上决定其输出性能。此外，器件的制备是一个复杂的过程，在不同的环境中会接触到不同的物质，每个环节都会影响器件的最终检测性能，因此器件工艺优化是其良好性能的保证。研究人员可以使用适当的工艺在特定应用的背景下优化相应的器件结构。例如，使用简单的低温水热合成方法制备二维 ZnS纳米结构有助于大规模生产。
综上所述，基于二维材料的NG自供电传感器的研究仍处于起步阶段，二维材料的选择、器件优化、结构设计、稳定性等方面仍值得考虑。然而，挑战与机遇并存。随着新二维材料的不断发现，基于二维材料的NG自供电有源传感器也将更好地应用于人体监测、能量采集、生物医学和人工智能。