摩擦納米發電機（TENG）作為一種高效的能量收集技術，已廣泛應用于自供電傳感、物聯網設備和可再生能源等領域。傳統TENG在高溫環境下的性能往往會顯著衰減，這限制了其在高溫工業場景（如發動機監測、冶煉廠或深井勘探）中的應用。性能衰減的一個關鍵機制，是接觸起電過程中熱電子發射效應的加劇。
熱電子發射是指材料在高溫下，內部電子獲得足夠熱能，克服材料表面勢壘而逸出的現象。在TENG的接觸-分離循環中，高溫會極大地促進這種效應。當兩種不同材料接觸時，高溫誘導的熱電子發射會干擾甚至逆轉正常的電荷轉移過程，導致界面電荷密度降低、電荷耗散加速，從而使TENG的輸出電壓和電流急劇下降，發電效率大打折扣。
因此，抑制接觸起電過程中的熱電子發射，成為提升TENG工作溫度上限、拓展其應用邊界的核心科學問題與技術關鍵。
抑制策略與材料創新
為實現這一目標，研究人員主要從材料工程和界面設計兩方面入手：
- 選用高功函數或高熱穩定性的材料：選擇功函數高、電子逸出功大的材料作為摩擦層，可以有效提高熱電子發射的能量門檻。例如，采用經過改性的高溫聚合物（如聚酰亞胺PI、聚醚醚酮PEEK）或陶瓷復合材料，替代常見的聚四氟乙烯（PTFE）或聚酰胺（PA）。
- 構建界面勢壘與電荷陷阱：在摩擦層表面引入納米結構或功能涂層（如氧化鋁、氮化硼等寬禁帶介質層），可以形成額外的能量勢壘，束縛住高能電子，防止其因熱激發而逃逸。這些結構可以作為深能級電荷陷阱，將轉移的電荷更牢固地鎖定在界面。
- 優化器件結構與散熱設計：通過設計具有高效散熱通道的器件結構（如采用導熱填料復合材料、集成微型散熱片），可以快速導出摩擦界面產生的焦耳熱和摩擦熱，從物理上降低界面實際工作溫度，間接抑制熱電子發射的激活。
對發電業務的意義與拓展
成功抑制熱電子發射、提升TENG的工作溫度，對其發電業務具有革命性意義：
- 開辟高溫工業能源市場：TENG將能穩定應用于汽車發動機艙溫度監測、燃氣輪機狀態感知、鋼鐵冶煉過程監控等高溫場景，從環境中收集廢熱與機械能，為無線傳感器網絡持續供電，實現預測性維護，降低能耗與事故風險。
- 增強極端環境適應性：提升其在深地鉆探、航空航天發動機測試、火山或地熱活動監測等極端高溫環境下的可靠性，為在人力難以企及之處部署自供電監測系統提供了可能。
- 提升發電效率與穩定性：即使在常溫或變溫環境中，抑制熱電子發射也有助于減少電荷耗散，提高TENG的電荷保持率和長期輸出穩定性，從而提升其整體發電效率和設備使用壽命。
- 推動技術融合與創新：高溫穩定的TENG可與熱電發電機等技術結合，形成復合能量收集系統，更高效地綜合利用環境中的熱能和機械能，拓寬分布式微能源的業務模式。
結論
總而言之，通過材料科學、界面物理和器件工程的協同創新，抑制接觸起電中的熱電子發射效應，是打破摩擦納米發電機溫度瓶頸的關鍵。這不僅是一項重要的基礎研究突破，更將直接推動TENG發電業務從常溫常規場景，向高溫、極端工業等廣闊藍海市場縱深拓展，為構建高魯棒性的自驅動系統和實現“雙碳”目標下的能源高效利用貢獻關鍵技術力量。
