接触起电（CE）作为一种普遍的自然现象，可以在处于不同物理状态（固体、液体和气体）的任何材料之间发生。此前，有研究证实CE能以多种运动形式发生在压电纳米发电机（PENG）中，包括界面剪切摩擦、纳米填料滑移、预先存在的静电荷和接触摩擦。接触物体和压电器件产生的摩擦电信号可能很强，从而使得压电器件的输出中含有较大比例的摩擦电成分。然而，以往很多工作忽略了这部分摩擦电信号的贡献，将压电器件的输出视为单一的压电信号，导致其性能可能被夸大。此前，由于缺乏可靠的方法来区分压电信号和摩擦电信号，阻碍了人们揭示复合信号的起源过程，从而导致无法正确分析摩擦电信号的影响和评估压电效应的真实贡献。最终，压电材料的性能可能得到错误评价。因此，开发一种从压电信号中识别和提取压电分量的方法对于定量评估压电材料的性能尤为重要。
近日，清华大学深圳国际研究生院杨诚副教授与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，提出了一种从摩擦电-压电复合信号中分离压电信号的方法，实现了对压电材料性能的准确评估。
研究人员以常见的商用PVDF压电器件为模型对象，发现混合输出中的摩擦电信号所占比例较大，对器件压电性能的评估影响较大。该文创新地引入器件的受力-时间曲线作为解耦摩擦电信号和压电信号的手段，可完整分离出压电信号和摩擦电信号各自的分量。通过比较力-时间和电信号曲线发现，在器件与物体接触前后，记录的电信号属于摩擦电贡献，而相互接触之后得到的电信号则归因于压电效应。此外，作者成功地从混合信号输出中定量提取出了压电电荷转移并计算出有效压电系数（d33），该结果与其他方法测量的结果一致。因此，通过引入器件的受力曲线，我们可以清晰地分离混合信号，且精度仅取决于力信号和电信号的分辨率。这项工作提供了一种在实际测量中阐明真实压电性能的有效方法，这对于公平且正确地评估压电材料至关重要。同时，该工作阐明了摩擦电信号和压电信号的耦合方式，为科学地设计和分析摩擦电-压电纳米发电机提供了理论支撑。
图1.SE-TENG和PENG同时存在于压电器件的使用过程，但二者产生的信号在时间上存在差异
图2.在压缩测试中验证 SE-TENG
图3.利用加载力信号区分单一摩擦电信号和单一压电信号
图4.PVDF基器件在负极化方向上产生的摩擦电-压电混合输出
图5.通过从混合输出中提取压电电荷转移来评估 PVDF 薄膜的压电性能
该工作近期以“一种从接收到的‘压电’信号中定量分离压电分量的方法”（A method for quantitatively separating the piezoelectric component from the as-received “Piezoelectric” signal）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院材料研究院杨诚副教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2018级材料工程硕士生陈超杰。论文作者还包括深圳国际研究生院2020级硕士赵世龙和博士后王方成、中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员、香港中文大学訾云龙教授。该研究得到了国家自然科学基金委、广东省珠江人才计划、广东省科技厅等单位的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29087-w
文/图：陈超杰
编辑：黄萧嘉
封面设计：王晨
