Peningkatan Penambahan Energi Triboelektrik: Tinjauan Komprehensif Teknik Polarisasi Dielektrik

Abstrak

Perangkat penambahan energi berdasarkan efek triboelektrik telah menarik perhatian besar karena kinerja outputnya yang lebih tinggi dibandingkan nanogenerator lain, yang telah digunakan dalam berbagai aplikasi wearable. Berdasarkan mekanisme kerja, performa triboelektrik terutama proporsional dengan densitas muatan permukaan material triboelektrik. Berbagai pendekatan, seperti modifikasi grup fungsional permukaan dan komposisi dielektrik material triboelektrik, telah diterapkan untuk meningkatkan densitas muatan permukaan, yang mengarah pada peningkatan performa triboelektrik. Secara menonjol, pengaturan properti dielektrik material triboelektrik dapat secara signifikan meningkatkan densitas muatan permukaan karena muatan permukaan proporsional dengan permitivitas relatif material triboelektrik. Konstanta dielektrik relatif dimodifikasi oleh polarisasi dielektrik, seperti polarisasi elektron, getaran (atau atom), orientasi (atau dipol), ionik, dan antarmuka. Oleh karena itu, polarisasi semacam ini mewakili faktor kritis dalam meningkatkan konstanta dielektrik dan konsekuensi performa triboelektrik. Dalam tinjauan ini, kami merangkum wawasan terbaru tentang peningkatan performa triboelektrik melalui polarisasi dielektrik yang ditingkatkan.

Pendahuluan

Perangkat piezoelektrik, piroelektrik, dan triboelektrik telah menarik perhatian besar sebagai perangkat penambahan energi untuk menghasilkan energi dari lingkungan sekitar, seperti air, angin, cahaya, suhu, dan getaran [1]. Selain sebagai sumber energi, perangkat ini dapat digunakan sebagai sensor berdaya sendiri untuk berbagai aplikasi seperti kulit elektronik, perangkat pemantauan kesehatan, dan robotika [2]. Di antara mereka, perangkat triboelektrik menunjukkan performa output yang relatif lebih tinggi ketika sepasang material triboelektrik bersentuhan [3,4,5,6]. Sinyal triboelektrik yang dihasilkan dapat digunakan untuk mengoperasikan perangkat listrik secara langsung [7,8,9,10,11] atau memantau rangsangan mekanis atau kimiawi pada perangkat [4]. Perangkat triboelektrik dapat dirancang secara sederhana untuk pembuatan yang mudah, biaya rendah, performa output yang luar biasa, dan fleksibilitas dibandingkan dengan teknologi lain, yang menguntungkan untuk aplikasi wearable berdaya sendiri [12].

Triboelektrik terjadi karena kontak elektrifikasi dan induksi elektrostatis antara material triboelektrik yang berbeda. Kontak mekanis menginduksikan muatan berlawanan yang dikompensasi pada setiap lapisan triboelektrik karena kontak elektrifikasi, dan pemisahan mekanis menghasilkan arus yang mengalir melalui rangkaian eksternal karena induksi elektrostatis. Oleh karena itu, performa output triboelektrik secara langsung dipengaruhi oleh muatan permukaan pada lapisan triboelektrik.

Untuk performa output triboelektrik yang tinggi, generasi muatan permukaan yang efisien selama kontak elektrifikasi dan transfer muatan yang efektif selama induksi elektrostatis diperlukan. Oleh karena itu, sangat penting untuk memilih pasangan material kontak triboelektrik yang sesuai dan merancang struktur perangkat optimal. Berdasarkan mekanisme kerjanya, empat tipe perangkat triboelektrik yang berbeda yang terdiri dari material dielektrik sebagai lapisan triboelektrik telah dilaporkan [5]. Ada dua kategori perangkat triboelektrik berdasarkan tipe pasangan material kontak triboelektrik: perangkat mode kontak dielektrik-ke-dielektrik dan konduktor-ke-dielektrik (Gambar 1a) [13]. Di yang pertama, dua piring dielektrik dengan ketebalan d₁ dan d₂, serta konstanta dielektrik relatif ε_r,1 dan ε_r,2, masing-masing, ditumpuk satu sama lain sebagai lapisan triboelektrik, dan lapisan elektroda ditempatkan pada permukaan dielektrik luar. Jarak (x) antara kedua lapisan triboelektrik bervariasi di bawah gaya mekanis periodik.

Peningkatan Penambahan Energi Triboelektrik: Tinjauan Komprehensif Teknik Polarisasi Dielektrik

Selanjutnya, permukaan lapisan triboelektrik yang bersentuhan memiliki muatan permukaan yang berlawanan tetapi densitas yang sama (σ) melalui kontak elektrifikasi. Ketika lapisan triboelektrik mulai memisahkan satu sama lain karena jarak yang meningkat, selisih potensial (V) diinduksikan di antara kedua elektroda oleh jumlah muatan positif/negatif yang ditransfer (+Q/–Q). Demikian pula, dalam mode kontak konduktor-ke-dielektrik tanpa lapisan dielektrik 1, logam 1 digunakan sebagai lapisan triboelektrik atas dan elektroda atas. Dalam struktur perangkat ini, ada dua bagian muatan dalam logam 1: muatan triboelektrik ($S \times \sigma$) dan muatan yang ditransfer di antara kedua elektroda (–Q), yang mengarah pada ($S\sigma - Q$) dari total muatan dalam logam 1. Mempertimbangkan perangkat mode kontak triboelektrik yang disebutkan di atas, performa output dapat diturunkan berdasarkan elektrodinamika sebagai berikut [13]:
$$V = - \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1) $$\begin{aligned}&V_{{{\text{OC}}}} = \frac{\sigma \cdot x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} = \frac{{{\text{d}}Q_{SC} }}{{{\text{d}}t}},\\&{ }Q_{{{\text{SC}}}} = \frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{\varepsilon_{r,i} }}{ }\end{aligned}$$ (2)

Ketebalan dielektrik efektif d₀ didefinisikan sebagai jumlah semua ketebalan dielektrik d_i dibagi dengan permitivitas relatifnya ε_r,i. Berdasarkan Eq. 2, performa triboelektrik secara langsung dipengaruhi oleh densitas muatan permukaan ($\sigma$) lapisan dielektrik.

Sebelumnya, modifikasi permukaan material triboelektrik atau perkenalan material dielektrik yang tinggi telah dilaporkan untuk meningkatkan densitas muatan permukaan. Modifikasi permukaan, seperti kontrol morfologi permukaan [14,15,16,17] atau perkenalan ion yang bermuatan [18,19,20,21], meningkatkan densitas muatan permukaan dengan memperbesar luas permukaan atau polaritas triboelektrik di antara pasangan lapisan triboelektrik. Selain mengatur properti permukaan, peningkatan konstanta dielektrik dapat meningkatkan kapasitansi lapisan dielektrik, yang mengarah pada peningkatan densitas muatan permukaan [6, 22, 23]. Dalam model kapasitor pipih paralel, densitas muatan permukaan dapat terkait dengan kapasitansi lapisan dielektrik sebagai berikut [23,24,25]:
$$\sigma=\frac{CV}S,\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}d$$ (3)

di mana C dan S menunjukkan kapasitansi dan luas kontak, masing-masing. Dari Eq. 3, karena kapasitansi (C), yang merupakan faktor yang mampu meningkatkan densitas muatan permukaan dalam perangkat triboelektrik mode kontak dielektrik [6], meningkat dengan konstanta dielektrik dan/atau pengurangan ketebalan lapisan dielektrik, densitas muatan permukaan secara langsung proporsional terhadap rasio konstanta dielektrik terhadap ketebalan (ε/d). Demikian pula, dalam perangkat triboelektrik, kapasitansi lapisan dielektrik tribo dapat diekspresikan dari Eq. 2 sebagai:
$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

Misalnya, menggunakan lapisan dielektrik berlubang dalam perangkat triboelektrik adalah cara efisien untuk sangat meningkatkan rasio ε/d dengan sekaligus meningkatkan konstanta dielektrik dan mengurangi ketebalan ketika lapisan dielektrik ditekan di bawah tekanan eksternal, yang secara signifikan meningkatkan densitas muatan permukaan [17, 23, 26, 27] bahkan ketika lapisan triboelektrik yang sama digunakan. Oleh karena itu, konstanta dielektrik lapisan triboelektrik adalah faktor yang efektif untuk meningkatkan densitas muatan permukaan lebih baik daripada potensial permukaan yang ditentukan oleh pemilihan pasangan material triboelektrik.

Meskui konstanta dielektrik material triboelektrik adalah faktor penting dalam peningkatan performa triboelektrik, belum ada diskusi komprehensif tentang prinsip dan strategi untuk meningkatkan konstanta dielektrik. Sebelumnya, beberapa tinjauan yang sangat baik tentang perangkat triboelektrik, termasuk material triboelektrik dan mekanisme kerjanya, telah dilaporkan [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; namun, hanya beberapa studi tentang perangkat triboelektrik yang diinduksi dielektrik yang telah dilaporkan hingga saat ini. Di sini, kami memperkenalkan dasar-dasar polarisasi dielektrik dan menunjukkan bahwa performa output perangkat triboelektrik dapat dikontrol dan ditingkatkan secara signifikan dengan desain material dielektrik dengan polarisasi dielektrik yang terkontrol.

Polarisasi Dielektrik untuk Meningkatkan Performa Triboelektrik

Konstanta dielektrik (atau permitivitas relatif) didefinisikan sebagai faktor di mana medan listrik yang diterapkan berkurang melalui polarisasi dielektrik material, yang dapat ditingkatkan dengan merancang material dielektrik melalui perkenalan aditif dielektrik atau modifikasi struktur kimia, yang mengarah pada berbagai fenomena dielektrik. Polarisasi dielektrik dapat dibagi menjadi polarisasi elektronik, getaran (atau atom), orientasi (atau dipol), ionik, dan antarmuka (Gambar 1b) [30,31,32,33]. Polarisasi elektronik dan atomik diinduksi oleh distorti elektron negatif dan inti positif dalam atom ke arah yang berlawanan dengan medan listrik eksternal, sehingga memperoleh momen dipole listrik, yang terjadi dalam regime resonansi di atas frekuensi inframerah (> 100 GHz). Sebagai material berbasis polarisasi, seperti semikonduktor, tidak memiliki kerugian dielektrik di bawah 1 GHz, mereka adalah yang paling diinginkan untuk aplikasi praktis yang berkisar dari beberapa Hz hingga 1 GHz. Namun, sebagian besar polimer organik menunjukkan konstanta dielektrik yang lebih rendah (< 10) daripada material semikonduktor karena sifat intrinsik ikatan molekulnya, yang tidak dapat menginduksi polarisasi elektronik dan atomik. Untuk menginduksi polarisasi elektronik dan atomik lebih lanjut dalam polimer, struktur rantai polimer harus melibatkan atom yang lebih besar dengan elektron yang dapat dipermalukan, seperti Si, Ge, atau Sn, daripada komposisi polimer dasar [34,35,36]. Meskui polimer berbasis Si, seperti polisiloksana atau turunannya, telah disintesis, konstanta dielektrik tidak lebih besar dari 3–4. Oleh karena itu, sulit untuk meningkatkan polarisasi elektronik/atomik dalam polimer isolasi.

Dalam polimer, sementara polarisasi elektronik dan atomik terbatas untuk meningkatkan konstanta dielektrik karena struktur ikatan molekul intrinsik, polarisasi dipol, ionik, dan antarmuka lainnya dapat digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik. Polarisasi dipol (orientasi) disebabkan oleh reorientasi momen dipole molekuler permanen dalam polimer atau komposit nano termasuk nanopartikel atau moieti dipol, yang dipengaruhi oleh struktur fasa (amorf atau kristal), suhu, dan frekuensi (biasanya < 10 MHz) [32, 33]. Modifikasi struktur dipol memungkinkan persiapan polimer dipol kaca, ferroelektrik, dan ferroelektrik relaksor [30]. Misalnya, orientasi dipol dari turunan polyvinylidenida fluorida (PVDF) mengarah pada pembentukan fasa β, yang meningkatkan konstanta dielektrik, yang meningkatkan performa triboelektrik [37, 38]. Polarisasi ionik dapat disebabkan oleh perpindahan relatif antara ion bermuatan positif dan negatif di bawah gaya eksternal [30, 39]. Oleh karena itu, polimer dengan komponen ionik dapat digunakan untuk meningkatkan performa kapasitif melalui polarisasi ionik. Misalnya, komponen ionik (misalnya, NaCl dan LiCl) dalam hidrogel terpolarisasi di bawah medan eksternal, yang mengarah pada pembentukan lapisan ganda listrik, yang mengakibatkan peningkatan performa triboelektrik [40,41,42,43]. Polarisasi antarmuka diinduksi oleh reorganisasi muatan ruang pada antarmuka dalam komposit dielektrik [30, 31]. Oleh karena itu, polarisasi antarmuka dapat diamati dalam semua sistem dielektrik multikomponen, termasuk polimer semi-kristal, campuran polimer, atau komposit nano dengan pengisi nano berkonstanta dielektrik tinggi atau konduktif. Baru-baru ini, komposit nano polimer dengan nanopartikel berkonstanta dielektrik tinggi, yang meningkatkan konstanta dielektrik bersih, yang mengarah pada peningkatan densitas muatan permukaan, dan sehingga performa triboelektrik, telah digunakan dalam perangkat triboelektrik [23, 44, 45]. Dalam bagian-bagian berikut, kami memperkenalkan beberapa contoh untuk menunjukkan peningkatan performa output triboelektrik melalui peningkatan konstanta dielektrik.

Polarisasi Antarmuka dalam Komposit Polimer Nanopartikel Permitivitas Tinggi

Nanopartikel permitivitas tinggi digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik komposit nano polimer karena polarisasi pada antarmuka di antara polimer dan nanopartikel. Karena nanomaterial anorganik (misalnya, nanopartikel dan nanobaris titanat barium (BaTiO₃)) atau konduktif (misalnya, nanopartikel logam, nanorubuh karbon, dan grafin) banyak digunakan dalam matriks polimer untuk meningkatkan konstanta dielektrik bersih, komposit polimer dengan berbagai aditif memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi daripada polimer dasar, yang mengarah pada peningkatan performa triboelektrik. Chen et al. menyiapkan film polidimetilsiloksana (PDMS) seperti spons, termasuk nanopartikel berkonstanta dielektrik tinggi (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃, dan SrTiO₃), untuk meningkatkan performa triboelektrik (Gambar 2a) [23]. Karena SrTiO₃ menunjukkan permitivitas yang lebih tinggi dari yang lain, PDMS dengan SrTiO₃ menunjukkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi. Ini juga dapat disebabkan oleh polarisasi muatan ruang pada antarmuka di antara PDMS dan partikel SrTiO₃. Secara menonjol, performa output triboelektrik ditingkatkan oleh peningkatan kapasitansi melalui peningkatan ε_r/d_PDMS selama proses kontak. Selain nanopartikel dielektrik, berbagai jenis material permitivitas tinggi, seperti BaTiO₃ yang di-dop Al dan CaCu₃Ti₄O₁₂, diterapkan dalam lapisan triboelektrik, yang mengarah pada konstanta dielektrik yang ditingkatkan dan performa triboelektrik yang dihasilkan (Gambar 2b) [44, 45]. Di sisi lain, penambahan material konduktif memungkinkan pembentukan struktur kapasitor mikro dalam matriks polimer, yang dapat menginduksi akumulasi muatan ruang pada antarmuka di antara matriks polimer dan aditif. Jenis polarisasi antarmuka ini disebabkan oleh perbedaan konduktivitas yang lebih besar di antara polimer dan aditif konduktif.

Oleh karena itu, komposit polimer dengan material logam atau berbasis karbon menunjukkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi dibandingkan polimer murni, yang mengarah pada peningkatan densitas muatan permukaan dan performa triboelektrik yang dihasilkan (Gambar 3) [6, 46]. Meskui komposit polimer permitivitas tinggi banyak digunakan sebagai material triboelektrik negatif, ada beberapa keterbatasan dalam meningkatkan performa output: (1) Ada rasio aditif yang optimal dalam matriks polimer karena aditif berlebihan menyebabkan arus kebocoran [46, 48] atau pengurangan luas permukaan gesekan [23, 49], yang mengarah pada penurunan performa output. (2) Aditif harus didistribusikan secara homogen dalam matriks polimer untuk meningkatkan polarisasi antarmuka karena nanopartikel yang mengumpulkan mengganggu polarisasi antarmuka melalui pengurangan luas antarmuka di antara polimer dan nanopartikel.

Polarisasi Antarmuka dalam Film Polimer Multilapisan

Untuk komposit polimer nanopartikel fasa acak, polarisasi antarmuka sulit dikontrol karena diperlukan kontrol yang tepat atas jumlah dan dispersi nanopartikel [30]. Dalam dielektrik multilapisan, polarisasi antarmuka dapat dengan mudah dikontrol karena semua antarmuka tegak lurus terhadap medan listrik, yang mengakibatkan akumulasi muatan ruang yang seragam pada antarmuka multilapisan dan konstanta dielektrik yang ditingkatkan. Dielektrik polimer multilapisan telah banyak diselidiki untuk meningkatkan konstanta dielektrik mereka melalui polarisasi antarmuka di antara lapisan polimer yang berbeda [50]. Polarisasi antarmuka terjadi ketika muatan ruang (elektron dan ion) terkumpul pada antarmuka di antara dua material yang berbeda dengan kontras permitivitas dan konduktivitas listrik yang besar di bawah medan eksternal [30]. Kim et al. [51] dan Feng et al. [52] mendemonstrasikan efek film bilayer dengan perbedaan konstanta dielektrik relatif yang lebih besar pada performa output triboelektrik (Gambar 4a,b). Penambahan lapisan dielektrik yang lebih rendah di antara lapisan konduktif dan elektroda menyebabkan penangkap atau penyimpanan muatan dalam film dielektrik, yang mengarah pada peningkatan densitas muatan. Akumulasi muatan dapat disebabkan oleh peningkatan polarisasi pada antarmuka film bilayer melalui perbedaan yang besar dalam permitivitas atau konduktivitas di antara PVDF dan film isolasi. Di sisi lain, kelompok kami mendemonstrasikan efek film bilayer yang terdiri dari polimer dengan unit fluorin yang berbeda dan lapisan isolasi polietilena tereftalat (PET) pada performa output (Gambar 4c) [53]. Secara menonjol, polimer fluorinasi dengan tiga unit fluorin dalam rantai sisi (polietil (2,2,2-trifluoroetil metakrilat), PTF) dilapisi pada substrat PET dengan konstanta dielektrik yang lebih rendah, sehingga meningkatkan konstanta dielektrik, yang disebabkan oleh peningkatan polarisasi antarmuka pada antarmuka di antara PTF semi-kristal dan PET. Akibatnya, PTF–PET menunjukkan performa triboelektrik yang lebih tinggi daripada film polimer fluorinasi lainnya. Berdasarkan hasil di atas, film dielektrik multilapisan heterogen dapat menjadi desain yang kuat untuk meningkatkan performa triboelektrik perangkat fleksibel atau wearable.

Polarisasi Ionik dalam Gel Polimer Ionik

Dalam matriks polimer yang menyertakan komponen ionik kecuali ion pengotor, polarisasi ionik mempromosikan pembentukan lapisan ganda listrik (EDL) pada antarmuka di antara elektrolit polimer dan elektroda, yang mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik [30, 39, 54]. Polarisasi sering digunakan dalam perangkat penyimpanan energi, seperti kapasitor (misalnya, superkapasitor atau kapasitor EDL) dan baterai [55]. Menurut persamaan Helmholtz, kapasitansi dapat diekspresikan sebagai C ≈ kε₀/λ, di mana k, ε₀, dan λ adalah konstanta dielektrik efektif EDL, permitivitas vakum, dan panjang saringan Debye (atau ketebalan lapisan ganda), masing-masing. Dalam perangkat triboelektrik, komponen ionik, seperti pasangan ion simetris atau asosimetris dan cairan ionik, dalam material polimer sering digunakan. Karena poli(alkohol vinil) (PVA) adalah jenis material triboelektrik negatif karena grup hidroksil dalam rantai inti polimer, ia dapat berinteraksi dengan berbagai jenis pasangan ion. Ketika medan listrik eksternal diterapkan, polarisasi ionik dapat terjadi karena perpindahan relatif antara ion positif dan negatif, yang berkontribusi pada pembentukan EDL pada antarmuka di antara lapisan triboelektrik. Ryu et al. [43] menyiapkan SPE berbasis PVA dengan ion simetris atau asosimetris sebagai lapisan triboelektrik positif atau negatif, masing-masing (Gambar 5a). Setelah proses kontak dengan PVA murni, potensial permukaan yang berbeda diukur secara sistematis oleh efek dari berbagai jenis doping ionik. Misalnya, SPE menjadi material triboelektrik negatif atau positif setelah penambahan asam fosfat (H₃PO₄) dengan lebih banyak kation daripada anion atau klorida kalsium (CaCl₂) dengan lebih banyak anion daripada kation, masing-masing, karena kation atau anion menciptakan status elektron yang terisi atau tidak terisi tambahan. Secara praktis, ditunjukkan bahwa konduktor ionik yang terdiri dari PVA dengan larutan boraks atau poli(akrilamida) dengan klorida lithium diterapkan dalam penambahan energi biomekanik dan aplikasi penginderaan sentuh, yang meningkatkan performa triboelektrik melalui pembentukan EDL (Gambar 5b) [41, 42, 56]. Demikian pula, Zou et al. [40] memproduksi nanogenerator stretchable bionik yang terdiri dari elastomer Ecoflex dan larutan natrium klorida (NaCl) yang terinspirasi oleh struktur saluran ion pada sitomembran elektrolit dalam belalang listrik. Dengan menggabungkan efek triboelektrifikasi melalui cairan yang mengalir dan induksi elektrostatis melalui ion yang terpolarisasi, perangkat memanen energi mekanis dari gerakan manusia di bawah air dengan tegangan open-circuit lebih dari 10 V. Selain itu, Lee et al. [56] menyelidiki performa triboelektrik ketika nanogenerator terhubung ke unit gel ionik yang terdiri dari cairan ionik dan poli(vinylidenida fluorida-ko-heksafluoropropilena), yang menghasilkan profil tegangan yang lebar dan lambat karena waktu relaksasi yang besar dari ion yang terpolarisasi (Gambar 5c). Perangkat triboelektrik berbasis gel ionik memungkinkan pembuatan perangkat wearable yang sangat stretchable, transparan, dan tahan air, meskipun perangkat harus dikapsulasi oleh matriks elastomer untuk mencegah kebocoran ion.

Polarisasi Dipol dalam Turunan Ferroelektrik PVDF

Polarisasi dipol (orientasi) adalah strategi lain untuk meningkatkan konstanta dielektrik dengan kerugian dielektrik yang rendah, yang disebabkan oleh peningkatan momen dipole melalui dipol yang teralignasi dalam struktur fasa rantai polimer. Contoh typikal adalah PVDF dan turunannya. Polimer memiliki momen dipole permanen karena fasa β unidireksional terbentuk, yang mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik dan performa triboelektrik yang dihasilkan. Cheon et al. [37] mendemonstrasikan nanogenerator triboelektrik berkinerja tinggi berdasarkan komposit serat nano PVDF-kawat nano perak (AgNW) (Gambar 6a). Pengenalan AgNW ke dalam PVDF meningkatkan rasio fasa β terhadap fasa α melalui interaksi antara AgNW dan rantai molekul PVDF, yang mengarah pada konstanta dielektrik yang ditingkatkan, yang memungkinkan penangkap muatan pada lapisan dielektrik PVDF-AgNW. Selain sumber logam, Seung et al. [38] memperkenalkan nanopartikel semikonduktor (BaTiO₃) ke dalam matriks kopolimer ferroelektrik (poli(vinylidenida fluorida-trifluoroetilena), PVDF-TrFE) (Gambar 6b). Performa triboelektrik secara signifikan ditingkatkan setelah proses poling, yang lebih dari 150 kali lebih besar dari nanogenerator triboelektrik berbasis politetrafluoretilena tipikal. Tidak seperti komposit polimer heterogen, kelompok kami baru-baru ini mendemonstrasikan efek komposit nano ferroelektrik multilayer pada performa triboelektrik (Gambar 6c) [57]. Film dielektrik multilayer yang terdiri dari lapisan PVDF-TrFE dan BaTiO₃ yang beralih menunjukkan konstanta dielektrik (17,1) yang lebih tinggi daripada film PVDF-TrFE murni (13,9) dan komposit nano tunggal PVDF-TrFE/BaTiO₃ (15,9) karena polarisasi antarmuka di antara kopolimer dan lapisan nanopartikel, seperti yang dijelaskan dalam bagian tentang film dielektrik multilayer (Gambar 4). Secara berurutan, performa output triboelektrik meningkat dibandingkan film single-layer. Meskui komposit nano polimer ferroelektrik meningkatkan performa output triboelektrik karena peningkatan konstanta dielektrik melalui polarisasi ferroelektrik yang tinggi, ada keterbatasan dalam meningkatkan performa output karena ambang perkolasi aditif.

Di sisi lain, momen dipole dapat dimodifikasi dengan memperkenalkan molekul tunggal polar [58], seperti –CN, –NO₂, dan –SO₂–, atau polimer polar [59,60,61], termasuk polistirena, poli(2-hidroksietil metakrilat), dan poli(dopamin metakrilamida), yang memungkinkan rotasi dipol dalam volume bebas polimer, yang mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik. Polarisasi dipol baru-baru ini digunakan untuk meningkatkan konstanta dielektrik material triboelektrik dengan melampirkan grup polar dengan momen dipole yang besar ke rantai sisi polimer [22]; Lee et al. menunjukkan bahwa kopolimer graft PVDF secara signifikan meningkatkan performa output triboelektrik (Gambar 7). Poli(tert-butil akrilat) (PtBA) dengan berbagai rasio grafting diperkenalkan ke dalam rantai PVDF, yang mengarah pada momen dipole yang ditingkatkan melalui bonding π dan grup ester polar dalam PtBA, yang meningkatkan konstanta dielektrik dan kemudian performa output triboelektrik. Selain polimer graft, dielektrik polimer dengan domain berstruktur nano meningkatkan konstanta dielektrik melalui kemampuan polarisasi orientasi dipol [62]. Meskui material dielektrik berbasis polimer memiliki beberapa keuntungan, seperti kemampuan diproses larutan dan fleksibilitas, hanya sedikit studi yang menggunakan polarisasi semacam itu dalam perangkat triboelektrik yang telah dilaporkan hingga saat ini.

Kesimpulan dan Pandangan ke Depan

Perangkat elektronik wearable dan implantable yang berdaya sendiri sangat penting, terutama seiring berkembangnya teknologi Internet-of-Things (IoT). Karena efek triboelektrik adalah salah satu fenomena yang paling sering dialami dalam kehidupan sehari-hari, perangkat triboelektrik adalah penambahan energi yang menjanjikan untuk perangkat wearable berdaya sendiri yang digabungkan dengan aplikasi lainnya. Dalam perkembangan industri IoT, perangkat elektronik memerlukan miniaturisasi dan multifungsi, yang membutuhkan performa output yang tinggi. Meskui perangkat triboelektrik dengan performa output tinggi telah dikembangkan dengan menerapkan struktur perangkat dengan mode kerja gabungan [63,64,65], perlu meningkatkan performa output untuk beberapa perangkat.

Sampai sekarang, penelitian difokuskan pada pengembangan pasangan material triboelektrik (biasanya material triboelektrik negatif), sedangkan material triboelektrik dielektrik jarang diselidiki. Karena material dielektrik memiliki potensi untuk meningkatkan performa triboelektrik berdasarkan hubungan antara densitas muatan permukaan dan konstanta dielektrik, penemuan material triboelektrik berdasarkan berbagai mekanisme polarisasi memungkinkan pengembangan perangkat wearable berdaya tinggi, yang dapat dicapai sebagai berikut:

1.
Karena berbagai material dielektrik berkonstanta dielektrik tinggi telah disintesis dengan mengontrol faktor struktural [66] atau doping kimia [67, 68], ada beberapa kandidat untuk meningkatkan konstanta dielektrik komposit polimer. Selain itu, modifikasi permukaan nanomaterial dielektrik untuk dispersi homogen dalam matriks polimer [69, 70] dan kontrol struktur dielektrik (misalnya, komposit multilayer heterostruktur [30, 31, 71, 72] atau komposit dielektrik dengan material konduktif yang teralignasi [73, 74]) telah diselidiki untuk meningkatkan properti dielektrik. Namun, sedikit pendekatan yang telah digunakan dalam perangkat triboelektrik untuk meningkatkan performa output. Kompatibilitas atau alignasi tinggi aditif dalam matriks polimer akan memungkinkan peningkatan luas antarmuka atau mengurangi arus kebocoran, yang mengarah pada peningkatan konstanta dielektrik dan performa output yang dihasilkan.
2.
Selain komposit nano polimer dielektrik, modifikasi struktur rantai polimer dapat meningkatkan properti dielektrik karena polarisasi dipol melalui momen dipole yang ditingkatkan. Sampai sekarang, material polimer dengan konstanta dielektrik tinggi telah disintesis dengan menggraft komponen yang dapat dipermalukan [58, 60] atau dengan merancang struktur nano [61, 62, 75, 76], yang meningkatkan konstanta dielektrik melalui polarisasi dipol. Material dielektrik berbasis polimer adalah kandidat yang baik untuk digunakan sebagai material triboelektrik karena properti fisiknya, seperti fleksibilitas dan kemampuan diproses larutan, yang memfasilitasi pengembangan perangkat triboelektrik yang dapat dicetak untuk aplikasi wearable generasi berikutnya.
3.
Selain polarisasi dielektrik, proses poling listrik yang dapat menginduksi realineasi dipol di bawah medan listrik kuat dapat menjadi pendekatan lain untuk meningkatkan konstanta dielektrik, yang kemudian memungkinkan peningkatan performa triboelektrik [77,78,79,80]. Baru-baru ini, metode poling sendiri telah diterapkan untuk secara signifikan meningkatkan properti ferroelektrik melalui proses yang diinduksi geser [81] dalam generator piezoelektrik, meskipun performa output masih lebih rendah daripada generator triboelektrik. Mekanisme, yang digabungkan dengan polarisasi dielektrik dan poling sendiri dalam komposit dielektrik, dapat menjadi efek sinergi untuk secara signifikan meningkatkan konstanta dielektrik, yang mengarah pada peningkatan yang luar biasa pada performa triboelektrik.
4.
Sebagian besar studi difokuskan pada material triboelektrik negatif. Karena performa triboelektrik timbul dari kontak elektrifikasi antara lapisan triboelektrik positif dan negatif, material triboelektrik positif adalah faktor penting dalam meningkatkan performa output. Pasangan material triboelektrik yang diinduksi polarisasi dapat mempromosikan pengembangan perangkat triboelektrik dengan performa output yang secara signifikan ditingkatkan, yang memfasilitasi aplikasi praktis yang membutuhkan daya output tinggi, seperti perangkat wearable cerdas dan perangkat IoT portabel.

Availability of data and materials

Not applicable.

Abbreviations

EDL:: Lapisan Ganda Listrik
PDMS:: Polidimetilsiloksana
PET:: Polietilena Tereftalat
PtBA:: Poli(tert-butil akrilat)
PTF:: Poli(2,2,2-trifluoroetil metakrilat)
PVA:: Poli(alkohol vinil)
PVDF:: Polivinilidenida Fluorida
SPE:: Elektrolit Polimer Padat

Sintesis In-Situ Nanopartikel Perak pada Serat Poliakrilonitrosi Diograft Amino untuk Meningkatkan Kinerja Antibakteri Simulasi Lanjutan Biosensor TFET Pintu Gerbang Parit Dual-Sumber Ter-modulasi Dielektrik untuk Deteksi Biomolekul

bahan nano