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第十一届全国博士生学术年会 新型清洁可持续的绿色能源：高性能摩擦纳米发电机 张晓升 韩梦迪 王任鑫 朱福运 李志宏 王玮 张海霞* （微米纳米加工技术国家级重点实验室，北京大学，北京，100871） 摘要：能源问题是亟待解决的世界性难题之一，应用于微系统的纳米发电机出现伊始就在世界范围内受到广泛关注，它具有 清洁无污染、绿色环保和可持续循环的优异特性。但传统纳米发电机输出性能较低，还远不能满足电子器件和微系统的供能 需求。本论文提出了一种基于摩擦生电原理的倍频高性能摩擦纳米发电机，首次将微纳复合结构引入纳米发电机，极大地提 高了有效摩擦面积，从而显著提高了器件输出性能，创新性地提出了“三明治”新型结构，使得器件在单次外力作用下，可 实现两次有效摩擦，从而实现了具有倍频效果的纳米发电机，成功地提高了发电机的输出功率密度，其电压高达465V ，电 3 流为107.5 μA ，功率密度为53.4 mW/cm 。利用该新型纳米发电机，无需任何外接电路，即可成功驱动5个并联商用LED工作， 并首次成功用于驱动视网膜神经假体针尖阵列，电流达88 μA 。此外，本论文还对该新型纳米摩擦发电机的工作原理进行了 阐释和分析、系统性研究了频响特性、微纳表面形貌对性能的影响，并利用有限元分析法对其工作状态进行了仿真分析。该 新型摩擦纳米发电机在新能源领域展现了巨大的潜在应用价值，可用于高速发展的物联网传感器节点自供能，从而实现全集 成系统。 关键词：可持续能源；纳米发电机；自供能系统；微纳复合结构 Novel Renewable, Green and Clean Energy Approach : High-Performance Triboelectric Nanogenerator Xiao-Sheng Zhang, Meng-Di Han, Ren-Xin Wang, Fu-Yun Zhu, Zhi-Hong Li, Wei Wang, Hai-Xia Zhang* (National Key Lab of Nano/Micro Fabrication Technology, Peking University, Beijing, 100871 China) Abstract: An attractive method to response the current energy crisis and produce sustainable non-polluting power source is harvesting energy from our living environment. However, the energy in our living environment always exists in low-frequency form, which is very difficult to be utilized directly. Here, we demonstrated a novel sandwich-shape triboelectric nanogenerator to convert low-frequency mechanical energy to electric energy with double frequency. An aluminum film was placed between two polydimethylsiloxane (PDMS) membranes to realize frequency multiplication by twice contact electrifications within one cycle of external force. The working mechanism was studied by finite element simulation. Additionally, the well-designed micro/nano dual-scale structures (i.e.