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王中林，中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。现任中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、中国科学院大学讲席教授、纳米科学与技术学院院长、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。研究方向为纳米能源技术、自驱动传感技术与新型器件半导体器件等。
2007年，我们在国际上首次提出压电电子学原创性概念和基本理论，并形成了相应研究领域。由于具有潜在的应用前景，压电电子学引起国际学术界和企业界的广泛关注，形成诸多热点研究领域，例如纳米发电机等。这些研究有望改变人类能源的现有格局，也将解决国家战略新兴行业重大需求。
01
压电电子学与传感器件
压电电子学利用压电效应改变金属—半导体的界面势垒和p-n结区输运特性，从而实现外界环境与电子器件直接相互作用。压电电子学效应是利用应变引起的界面极化电荷调制界面处能带结构，进而有效地调节和控制界面或结区载流子输运过程的物理效应。压电光电子学效应是利用压电电势来控制载流子产生、分离、传输和复合过程，进而提高光电子器件性能的效应。这两种物理效应引起了全新的物理现象和潜在应用，例如可以变革传统三极管的物理结构、大大提高光子探测器、太阳能电池及LED的性能等（图1）。相关研究已成为国际上纳米科学技术研究的前沿和热点。
图1 压电电子学与压电光电子学的应用领域
压电电子学器件的特性能很好地顺应后摩尔定律时代电子学发展趋势。以微电子技术为核心的信息技术的发展促成并带动了20世纪的信息技术革命，使人类生产和生活方式发生革命性变化。在后摩尔定律时代，电子器件性能朝着个性化、可移动化、柔软化、传感化及自供能化等方向发展。未来新一代信息技术必将沿着器件高性能化及功能化两种趋势的交叉方向继续向前发展。
研究表明，纳米压电材料、压电电子学/压电光电子学器件及基于纳米结构阵列的主动式传感系统在解决这些问题方面展示出引人注目的技术优势和应用前景。
压电电子学被美国Sandia国家实验室列入在后场效应三极管（FET）时代与量子电子学、自旋电子学等平行的新生颠覆型技术。压电电子学器件与硅基技术的有效集成有望在人机接口、纳米机器人的传感和驱动、智能化与个人化的电子签名、智能微纳机电系统、纳米机器人和能源科学等领域提供独特的应用。
总之，压电电子学研究具有新的物理内涵，可构建新的学科体系，可构筑新的信息材料与器件，引发新的产业变革。既有科学上的重大原始创新，也将解决国家战略新兴行业重大需求。
02
纳米发电机
2006年，笔者团队首次发明了压电式纳米发电机。2012年，笔者首次基于摩擦起电和静电感应效应发明了摩擦纳米发电机（TENG）。TENG可以有效地收集自然界中各种来源的机械能量，是收集低频、低振幅机械能的一个高效且颠覆性技术，为解决新时代分布式电子器件的能源供应提供了一种全新的微纳能源范例。
TENG是利用介质材料的表面电荷在周期性外力作用下产生交变的电场驱动外电路电子周期性的流动，从而对外产生电能的发电技术。笔者通过在麦克斯韦方程组位移电流一项中引入介质极化变化产生的电流这一项∂Ps/∂（tPs为介质极化矢量，其主要是由于表面电荷的存在引起的，是独立于电场的存在），为TENG找到了理论源头。TENG是动生麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后，在微纳能源与传感方面的另一重大应用。基于此，笔者发展了具有加速运动介质中的力-电-磁3项耦合的电磁理论：动生麦克斯韦方程组。
基于其独特优势，TENG在以下5个方面的应用具有重大战略意义（图2）。
图2 纳米发电机的五大应用领域和相关覆盖的行业
1）微纳能源。随着世界逐渐进入以物联网、传感网络、大数据、机器人和人工智能等为代表的新时代，数以万亿计且广泛分布的电子器件对能源的需求和能源结构提出了新的挑战。TENG具有质量轻、体积小、材料选择广泛、结构简单、易安装、免维护等特点，且多样化的工作模式可以适应不同的工作场景，已经被证实能够将人体和环境中的机械能收集起来，实现电子器件和传感器的可持续工作，正是解决新时代分布式电子器件供能的理想解决方案。
TENG在收集环境低频机械能方面展现出独特的优势，在植入式医疗、可穿戴电子以及物联网器件的供能方面潜力巨大。基于TENG实现电子器件的自驱动化可以摆脱电源的制约，为新时代分布式电子器件的供能提供了新的范式，是未来物联网发展微小集成化、无线移动化、功能智能化的重要技术支撑。
2）自驱动传感。TENG不但可用于微纳能源收集，还可用作自驱动传感器，即无需外部电源驱动，是一种实现自供电功能的新型传感技术手段。摩擦电式传感器具有多形态、低成本的优势，在人体运动/健康、生物医疗、人机交互、环境监测及基础设施安全等领域展现出广阔的应用前景。通过与信号处理和传输模块集成，可以进一步实现摩擦电式自供电系统的稳定运行和无线传感。
基于TENG的自驱动传感技术的提出，不仅推进了TENG的实际应用与产业化实施，还将为中国传统产业转型与技术升级提供支撑，并有望推动当代经济结构调整和转型。
3）蓝色能源。目前，海洋能开发的主要技术路径是将海洋能量转化为发电机装置中机构的机械能，经过传动装置的调理，进一步转化为电磁式发电机的动力而发电。此路径技术复杂、效率低、维护和运行成本高、装置可靠性差，制约其大规模商业化开发利用和发展。
而TENG对于收集无序、低频海洋能源具有显著优势，带来了海洋能高效开发利用的全新机遇和未来，有望构建划时代的智慧海洋，高效利用海洋能源、生物、矿场、水等稀缺资源，以及全方位获取辐射、污染、洋流、军事等重要信息，为碳中和提供新的范式。
4）高压电源。TENG的高电压、低电流特性使其可作为新型高压电源，具有较好便携性和安全性。基于TENG的新型高压电源通常无需复杂的电源转换器，可极大简化整个系统，且较低的电流对人员和仪器安全威胁较小，在大幅减小高压电源体积的前提下，兼具轻巧、实用、方便且高效的优点。
因此，开发基于TENG的新型高压电源具有极大应用价值，在高端生物与化学分析仪器、废弃物回收和空气净化方面展现出应用前景。此外，基于TENG的高压电源在自驱动静电纺丝、微流泵、微流控、微等离子体激发及静电驱动等方面应用潜力很大。开发基于TENG的新型高压电源可满足电子设备小型化、高效化和高性能化的新时代需求。
5）探测界面起电机理的新型探针。利用单电极的TENG，发展出了探索液体—固体界面电子转移的新型测试方法。
总之，纳米发电机在微纳能源、自驱动传感/系统、蓝色能源及新型高压电源方面具有广阔应用前景。每次新能源技术突破都带动人类文明向前巨大迈进，有理由相信，TENG技术也将改变人类能源现有格局，为人类文明进步带来巨大推动力。
本文经授权转载自科技导报（ ID: STReview），转载请联系出处。原文发表于《科技导报》2022年第17期。
王中林院士相关著作
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王中林精选论文摘要集
ISBN 978-7-03-071337-7
王中林 著
北京：科学出版社，2022.01
发表科学论文是科研工作者进行学术交流和科学传承的重要途径。在过去40年的研究历程中，作者从事过从物理学、电子显微学到材料学，再到能源学等多个学科和领域的研究，历经了从理论到实验，从科学到技术的交叉研究历程。通过梳理该论文摘要集所收录的代表作，作者希望能达到以下几个目的：一是能够呈现出作者过去40年来的研究历程和思维方式的演变和突变过程；二是给出如何创立一个新领域的系统性布局和发展一个交叉学科的创新性思维；三是还原在2006年以前的二十多年间，为找到一个属于作者自己的崭新领域而苦苦寻求及知识积累的漫长过程；四是体现在研究方向上，在遵循“一棵树”的主导理念下，如何实现“三年一小变、五年一大变”的目标；最后是反映科研工作追求螺旋式上升、不断提高的理念。收录的论文基于以下五个标准：提出新的科学思想或理念，提出新的物理效应，开启一个新的研究领域，在建立一个研究领域过程中具有标志性的突出贡献，展现原创技术在一些领域的首次示范应用。在筛选这些代表作中，作者并没有考虑发表这些文章的期刊的影响因子，而是斟酌这些文章对学术领域和实际产业是否具有实质性贡献。希望这部论文摘要集能够为青年学生和年轻学者展现出作者“从0到1”原创性研究的思维方法和分享作者“十年磨一剑”与“千里走单骑”的科研历程。
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摩擦纳米发电机
ISBN 978-7-03-051749-4
王中林 等著
北京：科学出版社，2017. 03
摩擦纳米发电机是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。与经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。同时它也可以作为自驱动的传感器来感知由机械触发所产生的静态和动态过程的信息。本书是首部系统全面地介绍摩擦纳米发电机的四种工作模式，以及相应的理论模型和计算、器件设计及它们在回收人体活动、振动、风能、海洋能、水流等动能中的广泛应用的专著。同时也系统介绍了摩擦纳米发电机在移动/穿戴/柔式电子产品、生物医学器件、传感网络、物联网、环境保护和传感、基础设施检查和蓝色能源等方面的应用实例。重要的是，王中林最近发现麦克斯韦位移电流第二分量是纳米发电机的理论根基。纳米发电机将是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用，有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。
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压电电子学与压电光电子学
ISBN 978-7-03-035790-8
王中林 著
北京：科学出版社，2014. 2
压电电子学和压电光电子学的基本概念和原理由王中林教授研究组分别于2007年和2010年首次提出。在人机界面、主动式传感器、主动式柔性电子学、微型机器人、智能电子签名、智能微纳机电系统以及能源技术等领域中，压电电子学和压电光电子学具有广阔的应用前景。本书介绍压电电子学和压电光电子学的物理原理、基本理论以及基本器件单元的设计、制造、测试和应用；共分11章，包括压电电子学和压电光电子学导论、纤锌矿结构半导体材料中的压电势、压电电子学基本理论、压电电子学晶体管、压电电子学逻辑电路及运算操作、压电电子学机电存储器、压电光电子学理论、压电光电子学效应在光电池中的应用、压电光电子学效应在光电探测器中的应用、压电光电子学效应对发光二极管的影响、压电光电子学效应在电化学过程和能源存储中的应用等内容。 本书是一部系统性强、深入浅出、图文并茂的专业著作，可供相关领域的科研工作者参考使用，同时也可以用作高年级本科生和研究生专业课程的教科书。
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自驱动系统中的纳米发电机
ISBN 978-7-03-034397-0
王中林 著
北京：科学出版社，2012. 06
我们生活的环境中充满了各种各样的能量,例如振动能、形变能、肌肉活动能、化学能、生物能、微风能、太阳能、热能等。如果利用纳米技术可以把这些无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件,就可以制造出自驱动的微纳系统。为了解决这个纳米技术中的瓶颈问题,2006年王中林小组成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能,研制出世界上最小的发电机———纳米发电机,并提出自驱动纳米技术的新思想。之后,世界上掀起了能量收集技术研究的热潮。过去的七年间,作者研究组在这一研究领域系统发表了一系列相关论文。为了给出一个关于纳米发电机发展的全面并且连贯的回顾与阐释,作者编写了这部专著,本书涵盖了这方面的基本理论、机理研究、工程放大以及纳米发电机的潜在应用。
（本文编辑：刘四旦）
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