摩擦纳米发电机是一种新兴的能源收集技术,它可以从周围的环境中收集低频和微弱的机械能,并高效地转换为电能。传统的摩擦纳米发电机通常使用聚合物绝缘体和金属作为摩擦材料,利用接触起电和静电感应的原理发电,并具有交流电、高电压、低电流密度和高阻抗等特点。近年来,基于半导体材料摩擦伏特效应的摩擦纳米发电机,以其直流电、高电流密度和低阻抗等优点吸引了研究者的注意。然而到目前为止,摩擦伏特效应的载流子激发与输运的机制尚不完全清楚。因此,本文通过研究一系列基于氮化镓（GaN）的半导体直流摩擦纳米发电机,来阐明载流子的传输和激发机制。主要研究内容包括以下方面:1)本研究通过设计GaN/硅、GaN/金属等结构,提出了一种基于GaN材料的直流摩擦纳米发电机。最高的开路电压达到了25 V,输出功率密度可以达到0.5 W/m~2,能够持续地为电容和LED供电。相比于以往的半导体直流摩擦纳米发电机,GaN基直流摩擦纳米发电机的开路电压提高了约一个数量级。2)本文证明了由界面电场主导的非平衡载流子的传输机制。在偏压实验中,外加电场能够对GaN基直流摩擦纳米发电机的输出电流起调控作用,这说明它的输出是由电场驱动载流子而形成的。那么当它的内建电场不提供驱动力时,应当存在一个界面电场来主导非平衡载流子的传输。在单电极形式的摩擦纳米发电机实验中,由接触起电引起的静电场与界面电场的方向相同,证明了界面电场来源于接触起电。此外,在湿度变化实验中,GaN基直流摩擦纳米发电机的输出随湿度的增加而下降,则进一步证明了界面电场来源于接触起电。3)本文证明了摩擦能量对非平衡载流子的激发作用。在滚动和滑动模式的对比实验中,滑动模式的发电机的输出远高于滚动模式,证明了非平衡载流子是由摩擦能量激发的。本文还研究了不同的正压力对GaN基直流摩擦纳米发电机输出的影响,发现正压力越大,摩擦力也越大,导致输入的摩擦能量越多,所以发电机的输出越高。综上所述,本文提出了由摩擦主导的GaN摩擦伏特效应机理:摩擦引起了GaN与Si/金属的接触起电现象,形成了一个界面电场;摩擦能量的注入,激发了非平衡载流子;非平衡载流子的运动受到界面电场和内建电场的共同作用,但界面电场占主导地位,使非平衡载流子的运动方向由界面电场决定。