Electrowetting‐Assisted Generation of Ultrastable High Charge Densities in Composite Silicon Oxide–Fluoropolymer Electret Samples for Electric Nanogenerators

驻极体 材料科学 含氟聚合物 电润湿 电介质 氧化物 光电子学 复合数 电压 纳米技术 复合材料 聚合物 电气工程 冶金 工程类
作者
Niels Mendel,Hao Wu,Frieder Mugele
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (11) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/adfm.202007872
摘要

Abstract Electric nanogenerators that directly convert the energy of moving drops into electrical signals require hydrophobic substrates with a high density of static electric charge that is stable in “harsh environments” created by continued exposure to potentially saline water. The recently proposed charge‐trapping electric generators (CTEGs) that rely on stacked inorganic oxide–fluoropolymer (FP) composite electrets charged by homogeneous electrowetting‐assisted charge injection (h‐EWCI) seem to solve both problems, yet the reasons for this success have remained elusive. Here, systematic measurements at variable oxide and FP thickness, charging voltage, and charging time and thermal annealing up to 230 °C are reported, leading to a consistent model of the charging process. It is found to be controlled by an energy barrier at the water‐FP interface, followed by trapping at the FP‐oxide interface. Protection by the FP layer prevents charge densities up to −1.7 mC m −2 from degrading and the dielectric strength of SiO 2 enables charge decay times up to 48 h at 230 °C, suggesting lifetimes against thermally activated discharging of thousands of years at room temperature. Combining high dielectric strength oxides and weaker FP top coatings with electrically controlled charging provides a new paradigm for developing ultrastable electrets for applications in energy harvesting and beyond.
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