Вплив плазмонних наночастинок на електрофізичні характеристики трибоелектричних шарів

Editorial Board PCSS Journal; А.В. Коротун; В.П. Курбацький; Р.Ю. Корольков; Г.В. Мороз

doi:10.15330/pcss.27.1.101-107

Автор(и)

А.В. Коротун Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна; Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, Україна
В.П. Курбацький Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
Р.Ю. Корольков Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
Г.В. Мороз Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.101-107

Ключові слова:

сферичні наночастинки, нанокомпозит, ефективна діелектрична функція, поверхневий плазмонний резонанс, трибоелектричний наногенератор

Анотація

В роботі розглянуто задачу про вплив сферичних металевих наночастинок, впроваджених у трибоелектричний шар, на його електрофізичні характеристики. Висунуто гіпотезу про механізм впливу поверхневого плазмонного резонансу, збудженого у металевих частинках-включеннях, на густину заряду на контактуючих поверхнях трибоелектричного наногенератора та його експлуатаційні характеристики. В наближенні ефективного середовища знайдено ефективну діелектричну функцію композиту сферичні металеві наночастинки – полідиметилсилоксан. Розраховано частотні залежності дійсної та уявної частин ефективної діелектричної функції трибоелектричного шару в рамках класичної та скоригованої моделі Максвелл-Гарнета. Встановлено, що екстремуми частотної залежності діелектричної функції композиту металеві наночастинки – полідиметилсилоксан відповідають поверхневому плазмонному резонансу в частинках-включеннях. Виявлено вплив розмірів наночастинок-включень на характер частотних залежностей, а саме збільшення амплітуди максимумів та їх «синій» зсув при зменшенні радіусу частинок. Розраховано густину поляризаційного заряду на поверхні трибоелектричного шару для сферичних частинок-включень різного радіусу, з різних металів та за різної концентрації. Продемонстровано якісну подібність кривих частотних залежностей дійсної частини ефективної діелектричної функції та поверхневої густини поляризаційного заряду. Показано, що зміна матеріалу частинок-включень та їх об’ємного вмісту в трибоелектричному шарі суттєво впливають на амплітуду і положення екстремумів частотної залежності поверхневої густини поляризаційного заряду.

Посилання

M. Ha, J. Park, Y. Lee, H. Ko, Triboelectric generators and sensors for self-powered wearable electronics, ACS Nano, 9, 3421 (2015); https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01478.

J. Li, Y. Li, H. Liu, F. Ran, Nano gold for supercapacitors and batteries, Nano Energy, 128, 109839 (2024); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109839.

C. Wu, A.C. Wang, W. Ding, H. Guo, Z.L. Wang, Triboelectric nanogenerator: a foundation of the energy for the new era, Adv. Energy Mater., 9, 1802906 (2019); https://doi.org/10.1002/aenm.201802906.

F. Rafati, N. Johari, W. Zhang, Synergistic triboelectric and piezoelectric effects in zinc oxide-based nanogenerators, Micro and Nanostructures, 210, 208481 (2026); https://doi.org/10.1016/j.micrna.2025.208481.

S. Korkmaz, I.A. Kariper, Production and applications of flexible/wearable triboelectric nanogenerator (TENGs), Synth. Met., 273, 116692 (2021); https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2020.116692.

L. Xu, T. Jiang, P. Lin, J.J. Shao, C. He, W. Zhong, X.Y. Chen, Z.L. Wang, Coupled triboelectric nanogenerator networks for efficient water wave energy harvesting, ACS Nano, 12, 1849 (2018); https://doi.org/10.1021/acsnano.7b08674.

Q. Jiang, B. Chen, Y. Yang, Wind-driven triboelectric nanogenerators for scavenging biomechanical energy, ACS Appl. Energy Mater., 1, 4269 (2018); https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00902.

Z.L. Wang, W. Wu, Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro-/nanosystems, Angew. Chem., 51, 11700 (2012); https://doi.org/10.1002/anie.201201656.

Z.L. Wang, Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors, ACS Nano, 7, 9533 (2013); https://doi.org/10.1021/nn404614z.

K. Vijoy, H. John, K. Saji, Self-powered ultra-sensitive millijoule impact sensor using room temperature cured PDMS based triboelectric nanogenerator, Microelectron. Eng., 251, 111664 (2021); https://doi.org/10.1016/j.mee.2021.111664.

Z. Wu, T. Cheng, Z.L. Wang, Self-powered sensors and systems based on nanogenerators, Sensors, 20, 2925 (2020); https://doi.org/10.3390/s20102925

Y. Fang, L. Chen, Y. Sun, W.P. Yong, S. Soh, Anomalous charging behavior of inorganic materials, J. Phys. Chem. C, 122, 11414 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b02478.

R.K. Pandey, Y. Sun, H. Nakanishi, S. Soh, Reversible and continuously tunable control of charge of close surfaces, J. Phys. Chem. Lett., 8, 6142 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b02763.

J.W. Lee, H.J. Cho, J. Chun, K.N. Kim, S. Kim, C.W. Ahn, I.W. Kim, J.-Y. Kim, S.-W. Kim, C. Yang, Robust nanogenerators based on graft copolymers via control of dielectrics for remarkable output power enhancement, Sci. Adv., 3, 1602902 (2017); https://doi.org/10.1126/sciadv.1602902.

J. Chen, H. Guo, X. He, G. Liu, Y. Xi, H. Shi, C. Hu, Enhancing performance of triboelectric nanogenerator by filling high dielectric nanoparticles into sponge PDMS film, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 736 (2016); https://doi.org/10.1021/acsami.5b09907.

L. Dong, C. Xiong, H. Quan, G. Zhao, Polyvinyl-butyral/lead zirconate titanates composites with high dielectric constant and low dielectric loss, Scripta Mater., 55, 835 (2006); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.07.001.

Q. Ye, Y. Wu, Y. Qi, L. Shi, S. Huang, L. Zhang, M. Li, W. Li, X. Zeng, H. Wo, X. Wang, S. Dong, S. Ramakrishna, J. Luo, Effects of liquid metal particles on performance of triboelectric nanogenerator with electrospun polyacrylonitrile fiber films, Nano Energy, 61, 381 (2019); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.04.075.

A.V. Korotun, A.O. Koval, V.I. Reva, Optical absorption of composite with bilayer nanoparticles, J. Phys. Stud., 23(2), 2603 (2019); https://doi.org/10.30970/jps.23.2603.

A.V. Korotun, A.A. Koval, V.I. Reva, Absorption of electromagnetic radiation by oxide-coated spherical metal nanoparticles, J. Appl. Spectrosc., 86(4), 606 (2019); https://doi.org/10.1007/s10812-019-00866-6.

A.V. Korotun, A.A. Koval, I.N. Titov, Optical absorption of a composite based on bilayer metal–dielectric spherical nanoparticles, J. Appl. Spectrosc., 87(2), 240 (2020); https://doi.org/10.1007/s10812-020-00991-7.

A.V. Korotun, N.A. Smyrnova, I.M. Titov, H.M. Shylo, Optical absorption of a nanocomposite with spherical hybrid nanoparticles, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 45(5), 569 (2023); https://doi.org/10.15407/mfint.45.05.0569.

N.A. Smirnova, M.S. Maniuk, A.V. Korotun, I.M. Titov, Optical absorption of the composite with nanoparticles covered with a surfactant layer, Physics and Chemistry of Solid State, 24(1), 181 (2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.181-189.

L. Gao, X. Chen, S. Lu, H. Zhou, W. Xie, J. Chen, M. Qi, H. Yu, X. Mu, Z. Wang, Y. Lin, Enhancing the Output Performance of Triboelectric Nanogenerator via Grating-Electrode-Enabled Surface Plasmon Excitation, Adv. Energy Mater., 9(11), 1902725 (2019); https://doi.org/10.1002/aenm.201902725.

X. Chen, F. Wang, Y. Zhao, P. Wu, L. Gao, C. Ouyang, Ya Yang, X. Mu, Surface Plasmon Effect Dominated High-Performance Triboelectric Nanogenerator for Traditional Chinese Medicine Acupuncture, Research (Wash D C), 2022, 9765634 (2022); https://doi.org/10.34133/2022/9765634.

R. Ruppin, Optical properties of small metal spheres, Opt. Commun., 182(4–6), 273 (2000); https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00825-7.

P.M. Tomchuk, D.V. Butenko, Dependences of dipole plasmon resonance damping constants on the shape of metallic nanoparticles, Ukr. J. Phys., 60(10), 1042 (2015); https://doi.org/10.15407/ujpe60.10.1042.

N.I. Grigorchuk, Broadening of surface plasmon resonance line in spheroidal metallic nanoparticles, J. Phys. Stud., 20, 1701 (2016); https://doi.org/10.30970/jps.20.1701.