当今社会,随着可穿戴电子设备的大量应用,人们对电源设备的要求越来越高。自2012年来,基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机发展十分迅速,因为其制作流程简单、材料价格低廉、器件质量轻等优势,而有希望成为可穿戴电子设备电源。然而,目前的纳米发电机作为实用电源,其输出性能还必须显著改善。决定摩擦纳米发电机输出功率的主要参数是材料表面产生的摩擦电荷以及摩擦层与电极层之间发生静电感应引起的感应电荷,然而,摩擦电荷一方面会在摩擦材料表面衰减,另一方面会向材料内部扩散,转移到摩擦层与电极之间的界面,从而降低表面电荷密度,减弱静电感应作用,极大程度地减小摩擦纳米发电机的输出。因此,开发出一种具有能够减少表面电荷消失和转移进而增强输出的摩擦层结构的摩擦纳米发电机成为了本论文的第一研究重点;探索以上摩擦纳米发电机性能提升的工作机理是本论文的第二研究重点;通过对电荷阻挡层的进一步研究,实现器件输出性能更加直接有效的提升,进而反证以上机制的合理性,是本论文的第三研究重点。基于以上研究重点,本论文从材料的制备和结构的设计出发,制备出稳定的摩擦材料和中间层材料,由它们构建的可穿戴摩擦纳米发电机性能得到逐步提升,并进一步对基于可穿戴摩擦纳米发电机的性能提升机理进行了研究。本论文的主要研究结果如下:(1)我们提出了一种在摩擦材料和电极层之间增加rGO-AgNPs多功能层的摩擦纳米发电机(ML-TENG)。在摩擦层聚偏二氟乙烯膜(PVDF)和底部铝电极之间加入一层还原氧化石墨烯掺杂银纳米颗粒(rGO-AgNPs)杂化层,其中使用静电纺丝法合成PVDF膜作为摩擦层,而rGO-AgNPs杂化层通过抽滤的方式紧密粘附在PVDF膜上,并且在调节抽滤的rGO溶液体积为10 ml、浓度为1.5 mg/ml、AgNPs在rGO溶液中质量分数为70%、静电纺丝PVDF溶液体积为3 ml的最优条件下最大限度地提升了 ML-TENG的输出性能。当运动频率为2 Hz时,最优条件下的ML-TENG(22×π cm2)的开路电压(Voc)可以达到335 V,短路电流(Isc)可以达到48 μA,转移电荷量(Qsc)可达到126 nC,输出电荷密度(σtr)为100μC·m-2,是没有增加rGO-AgNPs层的摩擦纳米发电机σtr(12μC.m-2)的8倍以上。(2)对第一个工作中摩擦纳米发电机性能提升过程的相关机理进行了研究讨论,包括测试摩擦材料的表面电势、对电子能级进行理论分析和计算摩擦材料的介电常数。在摩擦起电前,PVDF膜、带rGO层PVDF膜和带rGO-AgNPs杂化层的PVDF膜表面电势分别为-3.964V、-4.611 V和-4.807V,这表明PVDF膜的表面电势随着rGO-AgNPs杂化层的加入而降低了,这一结果证明了 ML-TENG有更大的摩擦电势差和更好的输出,而rGO本身的结构特性和rGO负载了银纳米颗粒后,摩擦材料介电性的提升,解释了 rGO-AgNPs杂化层作电荷捕获阻挡层的机理---还原氧化石墨烯(rGO)中sp2杂化结构的碳原子能起到捕获电荷的作用,而之后加入银纳米颗粒可以增强该层的极化作用,两种作用相互结合,极大程度上阻止了界面电荷向空气中扩散和向电极转移、中和电极上诱导而来的正电荷,从而高效地增强了摩擦纳米发电机的输出。(3)基于以上工作机理,我们根据功能不同将中间杂化层划分为电荷捕获层、电荷阻挡层和电荷传输层三个概念,并将其中的电荷阻挡层作为独立层进行研究,合成了硅胶掺杂钛酸钡纳米颗粒(Si-BaTiO3)作电荷阻挡层,同时利用极化仪对材料进行进一步的极化增强。当运动频率为2Hz时,添加了 Si-BaTiO3电荷阻挡层的摩擦纳米发电机(2×2 cm2)的Qsc为25 nC,之后再通过极化仪增强极化的摩擦纳米发电机的Qsc可以达到41 nC,是没有Si-BaTiO3电荷阻挡层的摩擦纳米发电机Qsc(5 nC)的8倍,从而进一步验证了增强材料的极化作用有利于提升摩擦纳米发电机输出性能。