纳米能源所陈翔宇清华大学褚祥诚AFM：基于摩擦纳米发电机和光响应界面结合的大批量小物体转移系统

  巨量转移是指将大数量的物质或粒子从源端分离并移动到目标端，以满足应用需求的技术。其在微电子制造，纳米技术和3D打印技术等多个领域都起到关键作用。一个完整的物料转移系统通常包括转移和释放两个关键工艺，即首先以某种作用力将元件与原基板分离，再将元件释放在目标基板的特定位置。物料转移的常见方法有四种：精准拾取，滚轴转印，自组装技术和激光转移，然而，这一些方法都有自身的局限性。如：转移头的尺寸限制，工业成本高等。

  摩擦电纳米发电机(TENG)可以低成本、高效率地将环境机械能转化为电能，可以在各种工作环境中作为有效的能量收集器。TENG还可以有效控制具有电响应特性的高内阻材料。将具有不一样电响应特性的智能材料或设备与TENG耦合是构建自供电智能系统的一种简单有效的方法。近期，中科院北京纳米能源所的陈翔宇研究员联合清华大学的褚祥诚副教授提出了一种基于摩擦纳米发电机(TENGs)和光响应介质材料协同作用的大批量微小物体的转移系统。在激光的刺激下，光响应薄膜的电导率在1ms内可提高两个数量级，导致激光光斑处的表面电位消失，图案或尖状物体释放。这种光响应策略既能轻松实现微小物体的大量转移，又能轻松实现元件在设计位置的高选择性释放。这种静电力和光电导率的协同机制为半导体和芯片工业实现高效、精确的传质系统提供了一种不同的途径。

  图1：协同传输系统的概念和工作机制。（a）系统的应用场景图。（b）高压转轴式的结构设计。（c）光响应薄膜的实物图和放大的俯视图。

  该系统大致上可以分为两个部分，第一部分是以转轴式高压TENG（CH-TENG）产生的高压静电场作为电源，为光响应界面实现元件搬移提供充足且可控的电粘附力。我们将该CH-TENG作为传送带系统的从动轮以适配物料转移这一应用，利用电荷积累策略实现了高压输出。该部分结合外部电路可实现导电，半导体和非导电元件的元器件的电黏附。通过外部电路中开关的切换就能实现小型元件的整体搬运和释放，这为需要高压供电的物料转移的应用场景提供了经济实用的解决方案。CH-TENG可以集成到任何旋转轴型结构中，可以在40ms内提供高达8千伏的高压输出，这表明了一种新的高成本效益替代高压电源。实验表明，光响应界面上的最大粘附载荷约为98 mg/mm 2，可以应对几乎所有常用组分的吸附。

  图2 静电吸附系统的构建及其实际效果的演示。（a）CH-TENG在不同转速下的开路输出电压。（b）照片静电粘附系统实现对不一样的材料的吸附。（c）光响应界面的有效面积与可吸附质量的依赖关系。（d）大批量元器件的静电传输和释放。

  第二部分是利用激光快速扫描光响应界面实现元件的释放，该部分的核心是电导率可随光照发生明显的变化的有机光导薄膜。我们通过简单的，低成本的旋涂镀膜的方法在ITO玻璃上制备了以TiOPc为主要的组成原材料的光导膜。在几乎黑暗的条件下，该薄膜的电阻可达到GΩ级别，与CH-TENG的输出阻抗相匹配。随着光照强度的增加，材料中的空穴和电子等自由电荷载流子浓度会显著增加，并在材料中迅速的移动，从而增加了材料的导电性能。且薄膜的电导率还随着薄膜厚度的增加而增加。薄膜厚度为10 μm时，光导率在1ms内可提高500倍，保证了光响应界面上元件在光点处的快速释放。

  图3：TiOPc薄膜的设计与表征。a) TiOPc薄膜的制备工艺。b)薄膜及各组分的XRD图谱。c) TiOPc薄膜的分光光度吸光度。d)厚度和光强对薄膜电导率的影响。e)薄膜在激光照射下的红外热像

  光照可明显使得界面处的电吸附力明显减小，在光照之前，其表面电荷缓慢下降，光照后其表面电位的衰减明显增快，且衰减速率随光照强度的增加而增加。这是因为光电导效应产生的载流子移动到薄膜表面时，会改变表面的电荷分布，从而改变了表面的电位。当光照强度越大时，光生载流子浓度越大，因此导致表面电位变化更显著。

  图4：光响应界面的性能与集成系统中定点释放的实现过程。a)光照和电压对静电吸附力的影响。b)不一样的材料的光和吸附基底对静电吸附力的影响。c)光照会加剧表面电位的衰减速度。d)不同光强对表面电势的影响。e) COMSOL模拟二维电场强度分布。f)空间电荷密度的一维变化示意图。g)静电吸附和光控释放10 × 10个元器件。

  最终，该工作显示了通过激光扫描控制目标元件的单点或是图案化的释放的流程。该工作为大批量元件的转移提供了一种新的思路，可以在同一转移界面上实现元件的吸附和图案化释放。此外，由CH-TENG，光导薄膜和光源组成的类似系统也能够适用于静电除尘等不同的用途。文章发表在《 Advanced Functional Materials》上，第一作者为北京纳米能源与系统研究所硕士生董烜沂，陈翔宇研究员和清华大学褚祥诚老师是共同通讯作者。

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