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本文的主要作者包括Haoze Kuang、Yubo Li、Shuyi Huang、Lin Shi、Zheng Zhou、Chenxi Gao、Xiangyu Zeng、Rajagopalan Pandey、Xiaozhi Wang、Shurong Dong、Xinhua Chen、Jianyi Yang、Hangsheng Yang和Jikui Luo。这些作者分别来自浙江大学信息科学与电子工程学院、浙江大学材料科学与工程学院、浙江大学第一附属医院肝胆胰外科、杭州瑞迪生物科技有限公司等机构。该研究于2020年11月2日在线发表在《Nano Energy》期刊上，文章标题为“Piezoelectric Boron Nitride Nanosheets for High Performance Energy Harvesting Devices”。
该研究的科学领域集中在纳米电子学和能量收集设备，特别是利用二维材料的压电和摩擦电效应来开发高性能的纳米发电机。近年来，二维材料因其独特的物理和化学性质在电子学、光电子学等领域得到了广泛关注。六方氮化硼（h-BN）作为一种二维材料，理论上具有压电性，但其在实际应用中的研究仍处于早期阶段。本文旨在通过将氮化硼纳米片（BNNSs）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，开发一种高性能的压电/摩擦电混合纳米发电机（PTEG），并探索其在能量收集和传感器应用中的潜力。
研究流程主要包括以下几个步骤：
BNNSs的制备：首先，将h-BN粉末与异丙醇/水混合，经过机械搅拌和超声处理，离心去除大尺寸的BN片，得到含有几层BNNSs的悬浮液，最终干燥成粉末。
BNNS-PDMS复合膜的制备：将BNNSs粉末与PDMS混合，通过超声分散和搅拌，去除溶剂后加入固化剂，旋涂在铝箔/玻璃基底上，控制膜厚度在16-140微米范围内，最终在105°C下固化。
PA6膜的制备：将PA6颗粒与甲酸混合，加热搅拌形成透明溶液，旋涂在玻璃基底上，浸泡在水中剥离并干燥。
纳米发电机的组装：将BNNS-PDMS膜与PA6膜结合，使用镍和铝箔作为电极，组装成PTEG器件，器件尺寸为20×20 mm²。
性能测试：使用动态疲劳测试系统对PTEG进行周期性接触-分离运动测试，测量开路电压、短路电流密度和电荷密度。通过扫描探针显微镜（SPM）对BNNS-PDMS膜的表面形貌、表面电势和压电响应进行表征，使用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和透射电子显微镜（TEM）对BNNSs的结构和形貌进行分析。
研究的主要结果包括：
BNNSs的表征：TEM和AFM图像显示BNNSs的尺寸在60-500纳米之间，厚度为0.34纳米，表明其为单层或少层结构。XRD谱图显示BNNSs具有良好的结晶性，FT-IR光谱证实了BNNSs的化学结构。
BNNS-PDMS复合膜的压电响应：BNNS-PDMS膜在施加垂直压力时表现出明显的压电效应，压电常数d33在未极化和极化后分别为4.2 pC/N和12.3 pC/N。压电力显微镜（PFM）测量进一步证实了BNNS-PDMS膜的压电效应。
PTEG的性能：BNNS-PDMS/PA6 PTEG在2 wt% BNNSs浓度下表现出最佳性能，短路电流密度为230 mA/m²，输出电压为1870 V，最大功率密度为103.7 W/m²，比纯PDMS/PA6纳米发电机提高了三倍。极化处理进一步增强了PTEG的输出性能。
性能增强机制：BNNSs的压电效应和电子亲和力增强是PTEG性能提升的主要原因。BNNSs在PDMS中的分散和极化处理显著提高了复合膜的压电响应和表面电荷密度。
该研究成功开发了一种基于BNNSs的高性能压电/摩擦电混合纳米发电机，展示了其在能量收集和传感器应用中的巨大潜力。通过将BNNSs与PDMS结合，显著提高了纳米发电机的输出性能，为低成本的实用化能量收集设备提供了新的解决方案。该研究不仅验证了BNNSs的压电效应，还揭示了其在电子亲和力增强方面的作用，为未来基于BNNSs的纳米发电机设计和优化提供了重要参考。
该研究还展示了BNNS-PDMS/PA6 PTEG在实际应用中的潜力，如通过三层堆叠的柔性PTEG收集步行能量，成功点亮了240个串联的LED灯。这表明该技术在可穿戴电子设备和自供电传感器领域具有广泛的应用前景。