摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的微能源采集器,可以通过收集环境能量来为物联网供能,是一种极具清洁性和可持续性的发电方法,具有很好的发展前景。但由于TENG的工作机理固有的交流输出特性,导致在应用中必须使用额外的整流电路将其输出的交流电转换为单向电,这不仅降低了发电机向负载传递能量的效率,还使其应用过程变得更加复杂,极大地阻碍了TENG集成化的趋势。因此,一种能够直接输出单向电流,且无需任何整流电路的TENG的研究显得尤为迫切。本文提出并验证了一种具有单向输出特性的摩擦纳米发电机(UC-TENG)的工作原理,突破了传统TENG固有的交流输出特性,由此设计了三个典型的UC-TENG装置,并进行了实际应用的演示。全文具体研究要点如下:通过引入“侧刷电极”结构,将TENG的输出电流方向固定为单向,提出了UC-TENG的工作原理。通过仿真验证后,基于该原理,设计、制备了UC-TENG装置。通过对所制备装置的测试与演示,验证了UC-TENG原理的可靠性,展示了其单向输出特性所具备的优势与潜在应用前景。结合“侧刷悬臂梁”结构,设计、制备了基于侧刷悬臂梁结构的单向输出摩擦纳米发电机(LC-TENG)。LC-TENG借助于侧刷悬臂梁的弹性,使TENG装置内部接触更加良好,提高了装置的输出性能。通过仿真和测试,系统地研究了LC-TENG的工作机理,并展示了其的输出波形具有均匀稳定的单向性。LC-TENG输出的最大开路电压、短路电流和功率密度分别达到300 V、1.4?A和15.68 mW/m~2。此外,通过将所制备的LC-TENG装置应用于低功耗电子器件供电,展示了其良好的应用前景。将所提出的UC-TENG的原理与传统的风杯结构相结合,设计、制备了基于风杯结构单向输出摩擦纳米发电机(WC-TENG)。WC-TENG能够保持在任意风向下输出单向电流,且其输出功率密度被提升到了434 mW/m~2。此外,基于WC-TENG设计了一个自供电无线环境监测系统,并进行了演示。结果表明该系统非常适用于森林、海洋、草原、沙漠等偏远、恶劣环境的环境监测。本文基于具有单向输出特性的摩擦纳米发电机的研究,使TENG在集成化和形成一体化的自供电微系统方面显示出了巨大的潜力,也能促进其在实际应用中产生重大影响。