【单电极水滴发电机（SE-DEG）的输出特性分析1600字】

单电极水滴发电机（SE-DEG）的输出特性分析目录TOC\o"1-2"\h\u26198单电极水滴发电机（SE-DEG）的输出特性分析 1124201.1SE-DEG在不同表面的电压输出特性 1126751.2SE-DEG在不同表面的电流输出特性 2162881.3SE-DEG在不同表面的电荷转移特性 348491.4SE-DEG在不同表面的阻抗匹配 41.1SE-DEG在不同表面的电压输出特性在测量输出电压时，将沿着电场从地面向电极迁移的负电荷的方向定义为正电压，从地面指向电极的负电荷的流动定义为正电流。为了验证SE-DEG的发电能力，分别在PTFE表面和石头表面上构造SE-DEG。本文使用KeithleyDMM6500数字万用表测量输出电压，TektronixTBS1102B示波器和StanfordResearchSystemModelSR570低噪声电流前置放大器测量输出电流。开路电压(Vcc)和短路电流(Isc)显示在图3-1和图3-2中。图3-1显示了PTFE和石头表面产生的电压随时间的变化。不同方向的电信号可以归因于表面不同的电荷极性。以PTFE输出电压曲线为例，液滴滴落在PTFE表面时，开始电压为负，并且电压不断下降，当液滴开始脱离单电极时，输出电压极性开始发生改变，输出电压变为正[8]，水滴完全离开单电极后，输出电压降为0V，两种表面的发电机均有电压输出，PTFE表面输出电压的峰值为-62V，石头表面输出电压的峰值为6V。两种相反类型的电压波形，这种现象是由于电荷转移的方向不同而引起的，即输出电压的极性受固体表面的电荷极性影响。从图中也可以看出在PTFE表面，电压输出范围更大，波形更稳定，发电能力比石头表面的SE-DEG高，突出了PTFE薄膜在水滴发电过程中具有代表性。图3－1两种表面输出电压的测量(左图为PTFE表面，右图为石头表面)Figure3-1Themeasuredvoltagefortwomaterialsurfaces(PTFE:leftStones:right)1.2SE-DEG在不同表面的电流输出特性图3-2为PTFE表面和石头表面输出电流的波形测量图，如图所示，在摩擦发电的过程中，两种表面的SE-DEG均可以产生电流，PTFE表面上负电荷是由电极流向地面，石头表面上正电荷是由电极流向地面，在相同的测量连接下，电流曲线也存在两种类型的波形，不同方向的电流信号是由不同表面的不同电荷极性决定的。石头表面的SE-DEG发电电流最高高达300nA，PTFE表面的SE-DEG发电电流峰值为-88uA，PTFE表面的输出电流约为石头表面输出电流的200多倍。图3－2两种表面输出电流的测量(左图为PTFE表面，右图为石头表面)Figure3-2Themeasuredcurrentfortwomaterialsurfaces(PTFE:leftStones:right)1.3SE-DEG在不同表面的电荷转移特性根据与水滴作用后获得电子的能力，图3-3为在PTFE表面和石头表面上构建SE-DEG后的摩擦电荷(QD)和转移电荷(QT)。本文中是使用Keithley6514静电计数字万用表测量转移电荷。摩擦起电的本质是电荷转移，由于PTFE表面的SE-DEG传递负电荷，与该表面作用后，水滴会携带正电荷，当水滴与电极接触后，正电荷向电极方向流动，当液滴离开电极后，电荷重新回到PTFE表面，电荷状态恢复最初断开时的情况，当下一滴液滴滴落，电荷状态也开始了新的循环。对于石头表面的SE-DEG，与表面作用后的水滴会携带负电荷[9]，之后电荷状态完全与PTFE表面时候的电荷极性相反。从图上也可以看出QT的绝对值均比QD高很多原因是上电极的布置，使得电荷的转移不再受表面效应的限制，而是基于体效应进行转移，转移电荷的数量大大提高。从电荷转移图中可以看出，PTFE表面和石头表面的SE-DEG均基于体效应向外输出电能，两种SE-DEG都具有电荷存储的能力[10]，区别在于存储电荷的能力不同，但证明了SE-DEG电能输出的普遍性，也就是可以在任意固体表面上构造SE-DEG，收集水与任意表面上摩擦产生的能量，这为SE-DEG进行广泛应用提供了条件。图3－3两种表面转移电荷和摩擦电荷的测量Figure3-3ThemeasuredQTandQDfortwomaterialsurfaces.1.4SE-DEG在不同表面的阻抗匹配为了更好的观察SE-DEG的带负载能力，本文针对PTFE和石头表面的SE-DEG进行阻抗匹配的测量，为了输出功率的最大化，需要选择跟SE-DEG内阻相匹配的电阻，测量输出图3-4，左图为在PTFE表面进行阻抗匹配的测量，可以看出随着电阻增大，当电阻为5.8兆欧左右时，输出功率达到最大值1.9nW，当电阻稍大或稍小于最优电阻值时，输出功率都会急剧下降；而选用石头充当表面的SE-DEG，负载电阻约为30兆欧时，输出功率达到最大值232nW。考虑到输出功率而选择电阻时，石头表面选择电阻的阻值范围更大。而就输出功率而言，PTFE表面的SE-DEG输出的最大功率约为1800nW，为石头表面的SE-DEG输出功率的三倍多。图3－4两种表