石墨烯在自供能傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡聰，胡俊斌，劉夢然，周玉成，戎家勝，周建新

南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所，機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，納智能材料器件教育部重點實驗室，南京 210016

1 引言

隨著深度學(xué)習(xí)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速興起，智能化的設(shè)備對漸趨復(fù)雜的傳感系統(tǒng)設(shè)計提出了更多的要求，如在柔性機電系統(tǒng)中，傳感器已從少量的點分布逐漸向類似生物皮膚一樣的“網(wǎng)”和“面”分布方式發(fā)展1,2，傳感器的數(shù)量幾乎指數(shù)提升。給數(shù)量眾多且分布范圍廣泛的傳感器供能成了一個巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)通常利用電源（通常是電池）和線纜給傳感器集中供能，當傳感器數(shù)量少時這容易解決，但當傳感器數(shù)量N增加時，電源和線纜復(fù)雜度以N2以上增加，體積和重量也同步增加，設(shè)計復(fù)雜度和傳感系統(tǒng)在整體系統(tǒng)占比的增加都制約了傳感系統(tǒng)的進一步提升。

自供能傳感器件為解決這些問題提供了可能，自供能器件可以從周圍環(huán)境中收集能量并轉(zhuǎn)化為電能等給自身的傳感單元供能，因此能在無外電源支持下持續(xù)地工作，其構(gòu)成系統(tǒng)時設(shè)計復(fù)雜度可以大大降低，分布范圍和集成度也就可以繼續(xù)提升。

近年來，隨著自供能傳感器件和傳感系統(tǒng)的研究展開，石墨烯由于其各種優(yōu)異的性能在自供能傳感中得到了廣泛的應(yīng)用。石墨烯是由sp2雜化的碳原子構(gòu)成，具有平面六邊形結(jié)構(gòu)、極高的載流子遷移率（2 × 105cm2·V-1·s-1）、出色的熱導(dǎo)率（3000-5000 W·m-1·K-1）以及優(yōu)異的光學(xué)透明度（97.3%）3-6。石墨烯所有的碳原子都是表面原子，有極大的比表面積，這與其獨特的電子結(jié)構(gòu)結(jié)合使其對各種化學(xué)分子和物理場非常敏感，包括氣體分子、離子、機械應(yīng)變以及光、溫度等外場7。如，當氣態(tài)水分子被內(nèi)部含氧基團呈梯度分布的氧化石墨烯膜或骨架吸附時，將產(chǎn)生離子梯度而輸出電壓8；當含離子液滴在石墨烯表面滑動時，會因動電效應(yīng)在其兩端產(chǎn)生電勢差9；多層石墨烯與聚二甲基硅氧烷、聚氨酯纖維、彈性聚合物等柔性基底復(fù)合，可形成有效量程達50%以上的壓阻式傳感器10-13；石墨烯與半導(dǎo)體材料耦合，可形成響應(yīng)度高達1.52 A·W-1的肖特基結(jié)光電探測器14。

石墨烯不但是靈敏的傳感材料，而且由于高比表面積及良好的鋰離子化學(xué)擴散率（10-7-10-6cm·s-1）15，被廣泛地用于能源存儲設(shè)備，如作為鋰離子電池、超級電容和光伏電池等的電極材料。此外，石墨烯還能在新的能源捕獲方式中發(fā)揮作用，如在摩擦納米發(fā)電機中石墨烯作為摩擦起電材料和電極材料16，在水伏效應(yīng)中石墨烯直接與液體相互作用產(chǎn)生液滴生電、波動生電、蒸發(fā)生電等現(xiàn)象17-19。

石墨烯既能構(gòu)建傳感器件，又能捕獲和存儲能源，所以在自供能傳感系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用潛力。如韓國成均館大學(xué)Chun等人利用單層石墨烯構(gòu)筑的電容-摩擦電疊層器件，可以做為透明、輕薄、柔韌的自供能觸覺傳感器，其中石墨烯層既是能量捕獲層也是觸覺信號捕獲層20。

石墨烯在各類型的自供能系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用（見表19,18,21-50），如充當柔性導(dǎo)電電極、形成肖特基結(jié)、構(gòu)建電容/電阻傳感陣列、流致生電等一系列用途，本文對基于石墨烯的自供能傳感器件和系統(tǒng)進行了總結(jié)。根據(jù)供能原理或方式的不同，本文將石墨烯基自供能傳感器件和系統(tǒng)分為：電化學(xué)供能、光伏效應(yīng)供能、摩擦電供能、水伏效應(yīng)供能及其它供能方式。

表1 基于石墨烯的自供能傳感系統(tǒng)Table 1 Graphene-based self-powered sensing systems.

2 電化學(xué)供能

電化學(xué)儲能設(shè)備具有悠久的歷史，長久以來作為穩(wěn)定可靠的供能儲能單元。小到手機、手環(huán)、平板電腦等眾多移動電子產(chǎn)品，大到電動汽車，甚至大規(guī)模儲能電網(wǎng)，電化學(xué)儲能設(shè)備都發(fā)揮著不可替代的作用。目前，用于為電子設(shè)備供能的電化學(xué)儲能設(shè)備主要有兩種類型：電化學(xué)電池和超級電容器。電化學(xué)電池和超級電容的結(jié)構(gòu)類似，都由電極、隔膜、電介質(zhì)、集電器和外部封裝組成。兩者的區(qū)別主要在于能量的釋放/存儲機制。電化學(xué)電池在陰極和陽極處通過較緩慢的法拉第反應(yīng)釋放/存儲化學(xué)能，而超級電容器則通過靜電電容和贗電容存儲/釋放能量51。傳統(tǒng)電化學(xué)儲能設(shè)備具有固定幾何形狀和尺寸，但為了滿足可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品的需求，可彎曲、拉伸和折疊的柔性電化學(xué)儲能設(shè)備被提出并得到了快速的發(fā)展52。如，復(fù)旦大學(xué)Wang等人所設(shè)計的柔性電化學(xué)電池應(yīng)變循環(huán)次數(shù)可以達到1000次53；南洋理工大學(xué)Lv等人研究的柔性超級電容，其拉伸應(yīng)變甚至能達到2000%，并且在2000%的最大應(yīng)變條件下應(yīng)變循環(huán)次數(shù)還能達到1000次54。

電極是能量存儲的載體、電化學(xué)儲能設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，對電化學(xué)儲能設(shè)備的機械柔性和電學(xué)性能起著重要的作用。傳統(tǒng)的漿料澆鑄的電極在變形過程中會因活性材料分層而導(dǎo)致性能降低，并且反復(fù)變形時難以恢復(fù)原始狀態(tài)，因此無法滿足柔性電化學(xué)儲能設(shè)備的需求55。碳納米管、石墨烯、多孔碳等碳納米材料具有大的比表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和機械柔韌性，成為了柔性電化學(xué)儲能設(shè)備的理想電極材料。碳納米材料基柔性電極不僅能賦予電化學(xué)儲能設(shè)備良好的應(yīng)變能力，而且能提高其電學(xué)性能56，如當石墨烯分別作為鋰離子電池和電化學(xué)雙層電容器的活性電極材料時，鋰離子儲存容量和雙電層容量理論上分別能達到744 mAh·g-1和550 F·g-1。相較于碳納米管、多孔碳，石墨烯的導(dǎo)電性能更優(yōu)越，且易于微納加工成各種結(jié)構(gòu)形狀。此外，石墨烯對應(yīng)變、濕度等十分敏感，當其作為電極時能夠使得電化學(xué)儲能設(shè)備響應(yīng)壓力、濕度等的變化來輸出電信號。總而言之，基于石墨烯的柔性電化學(xué)儲能設(shè)備，由于其穩(wěn)定且持續(xù)的直流輸出、良好的形變能力以及對外界刺激的響應(yīng)性，在自供能傳感系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用潛力。

基于石墨烯的柔性電化學(xué)電池如果對機械應(yīng)變具有響應(yīng)性，那么能夠作為自供能的機電傳感器應(yīng)用于應(yīng)變傳感、運動傳感、壓力傳感等領(lǐng)域。為了獲得對機械應(yīng)變具有良好響應(yīng)性的電化學(xué)電池，可以將基于石墨烯的壓阻材料作為電極。北京理工大學(xué)曲良體團隊21用涂有石墨烯的海綿作為電極，與鋅箔和附著有RuO2納米粒子的水凝膠電解質(zhì)組成鋅-空氣電池（圖1a）。其中，涂有石墨烯的海綿電極具有壓敏性質(zhì)，隨壓縮應(yīng)變的增加而電阻減小，從而使整個鋅-空氣電池的電壓輸出隨著壓縮應(yīng)變的增加而逐漸增加（圖1b）。當電池在140 kPa的最大壓力負載下被循環(huán)壓縮時，其輸出電壓在任意測試周期保持穩(wěn)定且均勻（圖1c）。該應(yīng)變響應(yīng)型鋅-空氣電池有望用于自供能的壓力傳感。中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所Wang等人22用石墨烯/鉑催化的硅橡膠（Ecoflex）納米復(fù)合材料作為電極，結(jié)合鋅絲和氯化鈉溶液微腔構(gòu)成鋅-空氣電池（圖1d），其石墨烯納米復(fù)合材料中堆疊的石墨烯薄片在拉伸過程中間隙擴大、接觸面積減小，從而體現(xiàn)出隨應(yīng)變增加而電阻不斷增加的壓阻效應(yīng)，進而使電池整體具有應(yīng)變響應(yīng)。在0.8%的較小應(yīng)變下，靈敏度（（I/I0）/ε）可以達到124；當應(yīng)變達到150%，該電池結(jié)構(gòu)也沒有損壞。如圖1e所示，器件在25%至150%的較寬的應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)關(guān)系，且響應(yīng)時間短于0.11 s。該傳感器可以安裝在人體膝關(guān)節(jié)處實現(xiàn)對運動的監(jiān)測（圖1f）。

圖1 石墨烯在電化學(xué)自供能傳感器中的應(yīng)用Fig.1 Applications of graphene in electrochemical self-powered sensors.

電化學(xué)電池對機械應(yīng)變的響應(yīng)性不僅來自電極電阻的變化，有研究發(fā)現(xiàn)，當對纖維電極施加壓縮時，源自隔膜的電池阻抗會顯著增加。香港科技大學(xué)Chong等人23通過簡單的濕紡法制備還原氧化石墨烯/碳納米管/硫纖維電極，并與密封在熱縮管中的鋰絲組裝在一起，制備了線纜狀鋰硫電池（圖1g）。該線纜狀鋰硫電池在周期性彎曲時由于電池隔膜阻抗的增加，功率會隨之周期性的在147到217 μW間波動，如圖1h所示。這說明該鋰硫電池可以做為纖維狀自供能形變傳感器使用。

電化學(xué)電池不僅對機械應(yīng)變有響應(yīng)，而且能將濕度變化也轉(zhuǎn)化電信號，成為自供能的濕度傳感器。如將鋰箔和氧化石墨烯膜簡單組裝而成的鋰-氧化石墨烯電池（圖1i）24可以對空氣中濕度的變化有顯著反應(yīng)，這是因為氧化石墨烯膜可以快速捕獲源自呼出氣體的水分并將之轉(zhuǎn)移道鋰箔表面。同時，鋰箔用作微反應(yīng)器，觸發(fā)鋰與吸附的水分之間的氧化還原反應(yīng)（2Li + 2H2O=2LiOH +H2）。在外部電路中流動的產(chǎn)生的電子可以實時反映呼吸的速率和深度。因此，該電池可以作為自供能的濕度傳感器檢測人體呼吸。如圖1j,k所示，將鋰-氧化石墨烯電池放置在人的鼻子下方時，由于呼出氣體產(chǎn)生的大量水分引起鋰和水之間的氧化還原反應(yīng)，因此電流輸出變化（ΔI/I0）從初始值0增加到初始值最大值約為1.8。當該人吸氣時，水分的供應(yīng)停止，ΔI/I0逐漸恢復(fù)為0。

除了刺激響應(yīng)型的電化學(xué)電池外，還存在刺激響應(yīng)型的超級電容，能夠提供電能并響應(yīng)各種外部刺激，在自供能傳感系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。例如，德國Zhang等人57開發(fā)了可逆電致變色的刺激響應(yīng)型超級電容，其充電/放電狀態(tài)可以通過顏色變化直觀地觀察到。

3 光伏供能

石墨烯具有極高的載流子遷移率和優(yōu)異的光學(xué)透明度，使其成為很好的透明導(dǎo)電電極材料并廣泛地用于各種光伏器件。雖然目前使用最廣泛的透明導(dǎo)電電極材料是氧化銦錫（ITO），但是由于其材料逐漸匱乏、易碎、膜厚需求高、以及銦隨時間擴散導(dǎo)致的性能降低，限制了其應(yīng)用58。與ITO相比，石墨烯更薄、更透明、導(dǎo)電性更佳，而且具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和出色的機械柔韌性，更適合柔性和低維結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。此外，石墨烯可以與各種半導(dǎo)體材料，如硅、鍺、砷化鎵、二氧化鈦、過渡族金屬硫族化合物等結(jié)合形成肖特基結(jié)59,60，構(gòu)成肖特基結(jié)光探測器。除了形成肖特基結(jié)，石墨烯還可以作為功能性添加劑加入到氧化物半導(dǎo)體中，提高其載流子遷移率和費米能級，從而改善其構(gòu)成的光伏器件的性能。如，臺灣Huang等人61將石墨烯摻入氧化鋅中并與氮化鎵結(jié)合形成自供能光電探測器，發(fā)現(xiàn)其開路電壓是純氧化鋅/氮化鎵光電探測器的三倍。近年來，人們基于石墨烯開發(fā)了許多自供能的光伏器件，能夠用于光電探測、化學(xué)傳感和位置檢測等方面。

3.1 光信號探測

基于石墨烯的自供能光電探測器主要是石墨烯與各種半導(dǎo)體材料形成的肖特基結(jié)，其中與硅半導(dǎo)體結(jié)合形成的肖特基結(jié)是最常見的一類。如，印度Periyanagounder等人25基于石墨烯/硅肖特基結(jié)設(shè)計了一種高性能的自供能光電探測器（圖2a）。該異質(zhì)結(jié)的肖特基勢壘高度為0.76 eV，有效地延長了光生載流子的壽命，從而實現(xiàn)了光生載流子的快速分離和傳輸，如圖2b所示。在零偏壓條件下，該光電探測器能夠快速響應(yīng)可見光（130 μs）。石墨烯/硅肖特基結(jié)的性能主要受到肖特基勢壘的調(diào)節(jié)。為了增加石墨烯/硅的肖特基勢壘高度，新加坡國立大學(xué)Xiang等人26利用三氧化鉬對石墨烯進行改性，從而使石墨烯/硅自供能光電探測器的性能顯著增強，外部量子效率提高了近四倍，達到約80%。除了增加勢壘高度外，還能引入硅納米結(jié)構(gòu)陣列來增強對光的捕獲能力，從而提高石墨烯/硅肖特基的性能。如圖2c所示，Chaliyawala等人27首次將以樟腦為前驅(qū)體合成的石墨烯轉(zhuǎn)移至硅納米線陣列上構(gòu)成石墨烯/硅肖特基結(jié)，其中硅納米結(jié)構(gòu)陣列具有大的界面面積、強大的光捕獲能力以及出色的載流子輸運性能。該器件的光響應(yīng)能力為22.1 mA·W-1。此外，通過對硅納米結(jié)構(gòu)陣列進行表面鈍化，可以降低硅納米結(jié)構(gòu)陣列表面的載流子復(fù)合速度，從而進一步提高器件性能。如香港理工大學(xué)Zeng等人28對硅納米孔陣列表面進行甲基化處理，其與石墨烯構(gòu)成的肖特基結(jié)響應(yīng)度達到328 mA·W-1，明顯高于未鈍化的肖特基結(jié)。

石墨烯還能與砷化鎵（GaAs）形成肖特基結(jié)，其同樣在自供能的光探測方面得到了廣泛的應(yīng)用。GaAs具有1.42 eV的直接帶隙、在可見光范圍內(nèi)的高光吸收系數(shù)（～104cm-1）和高電子遷移率（300 K時為8000 cm2·V-1·s-1），因此是構(gòu)建光電器件的合適材料。北京郵電大學(xué)Wu等人29介紹一種基于石墨烯/GaAs納米線陣列的自供能光電探測器（圖2e）。其中石墨烯覆蓋納米線陣列的頂部，并與GaAs納米線形成肖特基結(jié)，而聚酰亞胺薄膜用于將頂部電極與納米線分開。如圖2f所示，在照明和零偏壓條件下，光生電子和空穴被內(nèi)建電場分離，從而在電路中產(chǎn)生光電流，器件響應(yīng)度為1.54 mA·W-1。各種納米粒子常用來增強石墨烯/GaAs結(jié)的光響應(yīng)性能。廈門大學(xué)Lu等人30在石墨烯/GaAs結(jié)上涂覆銀納米粒子得到了自供能的寬光譜范圍（325-980 nm）的光電探測器（圖2g）。如圖所示，相較于未涂覆銀納米粒子的石墨烯/GaAs結(jié)，器件的響應(yīng)度最大增強了70%。浙江大學(xué)Wu等人31則在石墨烯/GaAs結(jié)上引入上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子，其響應(yīng)度提高到5.97 mA·W-1。

圖2 基于石墨烯的自供能光伏器件用于光信號探測Fig.2 Graphene-based self-powered photovoltaic devices for optical signal detection.

除了常規(guī)半導(dǎo)體材料，石墨烯常常與其它低維材料耦合形成自供能光電探測器。韓國成均館大學(xué)Li等人32在石墨烯與二硫化鉬（MoS2）結(jié)合的界面處插入六方氮化硼（h-BN），構(gòu)成了石墨烯/h-BN/MoS2異質(zhì)結(jié)（圖2i）。其中，h-BN可以阻止石墨烯/MoS2界面處的層間載流子耦合，而通過量子隧道來實現(xiàn)光生載流子的輸運（圖2j）。因此，h-BN的插入使得石墨烯/h-BN/MoS2的零偏壓下光電流增加三個數(shù)量級以上，可以靈敏地實現(xiàn)自供能的光探測。Chen等人33將石墨烯覆蓋在硒化銦（InSe）/MoS2結(jié)表面而構(gòu)成成石墨烯/InSe/MoS2異質(zhì)結(jié)（圖2k），可以實現(xiàn)自供能的光探測，零偏壓下響應(yīng)度達到110 mA·W-1。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Lv等人34則用上下兩層石墨烯夾住硒化鎵/二硫化鎢（GaSe/WS2）構(gòu)建了石墨烯/GaSe/WS2/石墨烯小三明治式的異質(zhì)結(jié)（圖2l），在從紫外到可見光波長范圍的光檢測方面表現(xiàn)出良好的性能，響應(yīng)度高達149 A·W-1。

3.2 其它信號探測

基于石墨烯的自供能光伏器件除了作為光電探測器外，還能用于化學(xué)傳感和位置探測等方面。

韓國Lee等人35提出了一種基于石墨烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的自供能化學(xué)傳感器（圖3a）。該器件的光伏響應(yīng)主要由石墨烯基異質(zhì)結(jié)中的內(nèi)建電勢所驅(qū)動。內(nèi)建電勢取決于兩者費米能級之差。由于石墨烯的費米能級可以通過化學(xué)方法調(diào)節(jié)，結(jié)處的內(nèi)置電勢被吸收的氣體分子以可預(yù)測的方式有效地調(diào)制，這取決于它們的氧化還原特性（圖3b）。氧化性氣體（如二氧化氮）傾向于從頂部石墨烯中抽取電子發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯費米能級降低，從而使內(nèi)建電勢增加，促進了光生電子-空穴對的分離，實現(xiàn)了光伏驅(qū)動的化學(xué)傳感。此外，該自供能化學(xué)傳感器對氫氣的傳感特性與光照強度無關(guān)，但對室溫下1 × 10-6（volume fraction）的氫氣濃度很敏感。

圖3 基于石墨烯的自供能光伏器件用于其它信號探測Fig.3 Graphene-based self-powered photovoltaic devices for other signal detection.

韓國延世大學(xué)Moon等人36基于還原氧化石墨烯（rGO）膜的橫向光伏效應(yīng)構(gòu)建了一個簡單的自供能位置傳感器。利用氫碘酸蒸汽在低溫下對氧化石墨烯膜進行還原，制備了一種具有還原梯度的rGO膜。由于還原程度不同，該rGO膜中表層和內(nèi)層之間會形成異質(zhì)結(jié)。該rGO膜與兩個對稱的銀電極構(gòu)成了金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，其中銀電極與rGO間形成肖特基接觸。當激光聚焦于更靠近肖特基接觸的位置時，由于受照射區(qū)和未照射區(qū)之間的光熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴對在肖特基接觸產(chǎn)生的局部電場下沿相反的方向離開該區(qū)域，從而使復(fù)合率降低（圖3d）。rGO膜中的異質(zhì)結(jié)通過內(nèi)建電場推動分離的電子和空穴增強其擴散。因此，兩銀電極間形成橫向光電壓。當激光聚焦于rGO上兩銀電極之間的中心位置時，由于擴散具有對稱性，橫向光電壓為零。如圖3c所示，光電壓的大小依賴于激光的位置。

4 摩擦電供能

自古希臘時代以來，摩擦起電效應(yīng)就已為人們所熟知。摩擦起電效應(yīng)是一種由接觸引發(fā)的帶電效應(yīng)，當兩種材料發(fā)生接觸時，二者的表面之間會形成化學(xué)鍵（或稱黏結(jié)），然后電荷會從一種材料中移動到另一種材料中，來平衡二者的電化學(xué)勢差。當兩種材料分離時，接觸起電產(chǎn)生的正負電荷也發(fā)生分離，從而在材料的上下電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢62。2012年，王中林課題組63開發(fā)了基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的摩擦發(fā)電器件（TENG），其在能量收集方面具有出色的性能，可以用于收集人體運動能、聲能、振動能、風(fēng)能、水波能和其他可用的機械能并轉(zhuǎn)化為電能。目前，該摩擦發(fā)電器件已廣泛地用于自供能系統(tǒng)中，例如壓力測量、運動檢測、可穿戴生物傳感，當然還有化學(xué)傳感領(lǐng)域，例如氣體傳感、重金屬離子檢測和環(huán)境保護/檢測等64-66。在這種情況下，摩擦發(fā)電器件通常用作供能單元，并與傳感單元分開。傳感單元是可穿戴監(jiān)控設(shè)備中的關(guān)鍵構(gòu)件，負責(zé)將環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為各種信號。摩擦發(fā)電器件和感應(yīng)單元的有效組合顯然是可取的，不僅方便了使用，而且提高了能源效率。

石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)性能和力學(xué)性能（斷裂強度高達125 GPa）67，可以在摩擦發(fā)電器件中充當良好的柔性電極材料，并提高其電學(xué)輸出和力學(xué)性能68,69。當化學(xué)改性或雜化的石墨烯充當摩擦發(fā)電器件的摩擦起電層時，還會賦予其某些特殊的性能。如，氧化石墨烯的高濃度表面基團使摩擦發(fā)電器件具有抗菌性能70，還原氧化石墨烯-氧化銦復(fù)合薄膜使摩擦發(fā)電器件對苯胺氣體十分敏感50。此外，各種簡單的石墨烯基傳感器易與摩擦發(fā)電器件集成并構(gòu)成自供能的傳感系統(tǒng)。

摩擦電供能的傳感系統(tǒng)主要分為：（1）直接的摩擦電式傳感器：摩擦發(fā)電器件獨立作為自驅(qū)動形變傳感器，當施加壓力發(fā)生形變時，形變的大小影響摩擦層之間的有效接觸面積，從而導(dǎo)致其輸出電流和電壓的變化。（2）摩擦電結(jié)構(gòu)驅(qū)動其他傳感器：TENG將機械能轉(zhuǎn)化為電能，給傳統(tǒng)的傳感器供能。

4.1 直接的摩擦電式傳感器

摩擦發(fā)電器件的作用類似于一個電容，其輸出的電壓驅(qū)動電子在外電路的流動，可以直接作為電容式傳感器，稱之為直接的摩擦電式傳感器。直接的摩擦電式傳感器主要有接觸-分離式和單電極式這兩種工作模式，可以直接把變形、觸摸等信息轉(zhuǎn)化為電信號，在運動監(jiān)測、信息通訊、觸覺傳感等方面發(fā)揮有重要作用。

接觸-分離式的摩擦發(fā)電器件主要由兩種不同的摩擦起電材料面對面堆疊而成，通過機械力控制兩摩擦材料之間的空氣間隙的閉合和分離，使兩電極材料之間電勢差發(fā)生變化，從而驅(qū)動電子在兩電極間來回流動產(chǎn)生交流信號。因此，影響其輸出電壓和電流的主要因素分別是兩個摩擦層之間的分離距離和接觸或分離的速度。因此，空氣間隙的設(shè)計至關(guān)重要。如圖4a所示，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究所Yang等人37直接使用聚酰亞胺膠帶將聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）/石墨烯/導(dǎo)電聚合物（PH1000）和覆蓋有聚酰亞胺薄膜的PET/石墨烯/PH1000隔開，從而在上下兩部分間引入0.3 mm的空氣間隙，進而構(gòu)成了接觸-分離式的摩擦發(fā)電器件。當該器件固定在手指關(guān)節(jié)處時，輸出電壓隨著彎曲角度的增加而增加并呈線性關(guān)系（圖4b）。這是由于彎曲角度增加引起摩擦層的接觸面積和表面電荷密度增加而導(dǎo)致的。而且，隨著彎曲速度或頻率的變化，器件的輸出電壓幾乎保持恒定。因此，該摩擦發(fā)電器件可以直接作為摩擦電式傳感器，能夠很好地監(jiān)測手指關(guān)節(jié)的連續(xù)角度變化，并且最大彎曲角度可以超過90°。北京郵電大學(xué)Liu等人38將兩個石墨烯覆蓋的聚對二甲苯薄膜堆疊在一起，并在聚對二甲苯薄膜中引入蛇形結(jié)構(gòu)的空氣間隙，構(gòu)建了總厚度為5.5 μm和透射率為80%的摩擦發(fā)電器件（圖4c）。當該器件彎曲時，開路電壓和短路電流會隨著曲率的增加而增加，因此可以作為自供能的形變傳感器固定在手指關(guān)節(jié)上監(jiān)測手指運動。Xu等人39設(shè)計的接觸-分離式的摩擦發(fā)電器件由兩層具有凹槽圖案的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜整齊堆疊而成，其中凹槽底部是涂有石墨烯量子點的銀納米線（圖4d）。PDMS的凹槽圖案為該器件提供了整齊排列的微小的空氣間隙，使其不僅可以通過觸摸產(chǎn)生電信號，還可以通過擠壓、扭曲、拉伸和折疊產(chǎn)生電信號。

圖4 基于石墨烯的直接的摩擦電式傳感器Fig.4 Graphene-based triboelectric sensors.

單電極式的摩擦發(fā)電器件與接觸-分離式具有相同的摩擦起電過程，但是只需要一個主電極連接在一個摩擦起電層上，另一個摩擦起電層無需連接電極、可以任意移動。例如，手指就可以作為摩擦起電層，通過手指的觸摸使摩擦發(fā)電器件輸出電信號，并且可以控制觸摸時接觸面積從而改變輸出電信號的大小。因此，單電極式的摩擦發(fā)電器件一般作為自供能的觸摸傳感器，用于信息通訊、觸摸輸入信息等方面。韓國延世大學(xué)Ahn團隊71將PDMS摩擦層、石墨烯電極和PET基底逐層堆疊在一起，組成了一種超薄的單電極式的摩擦發(fā)電器件（圖4e），其總厚度小于2.4 μm。該器件可以用來傳輸莫爾斯電碼，其傳輸?shù)膯卧~最終在智能手機上顯示（圖4f，g）。之后Ahn團隊用亞克力膠帶將兩層石墨烯/PET粘附在一起構(gòu)成了可拉伸的摩擦發(fā)電器件（圖4i）72。如圖4j所示，良好的可拉伸性（高達13.7%）是通過具有負泊松比的膨脹網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，該設(shè)計有助于在拉伸時獲得穩(wěn)定的機械性能和電學(xué)性能。該器件可以通過觸摸來輸入信息并顯示字符，而且經(jīng)過濾波器后字符“2”的顯示更加突出了（圖4k）。鄭州大學(xué)Zhou等人73通過多層熱塑性聚氨酯/銀納米線/還原氧化石墨烯制造了高度可拉伸（200%應(yīng)變）的摩擦發(fā)電器件，如圖4h所示。該器件具有很高的靈敏度（78.4 kPa-1）和快速的響應(yīng)時間（1.4 ms），可以感應(yīng)機械刺激的強度和運動軌跡，并獲得清晰準確的結(jié)果。

4.2 摩擦電結(jié)構(gòu)驅(qū)動石墨烯基傳感器

除了直接作為傳感器外，摩擦發(fā)電器件也可以作為將機械能轉(zhuǎn)化為電能的電源來驅(qū)動其他的傳感器。例如，摩擦發(fā)電器件可以驅(qū)動傳統(tǒng)的電容式和阻變式傳感器，實現(xiàn)自供能的壓力或觸摸傳感。韓國成均館大學(xué)Choi團隊20將摩擦發(fā)電器件和石墨烯超級電容器層疊在一起，構(gòu)成摩擦電供能的觸摸傳感器（圖5a）。其中，摩擦發(fā)電器件通過整流電橋給超級電容器供能，而超級電容器作為電容式傳感器響應(yīng)外界觸摸。如圖5b所示，觸摸壓力為10 kPa時，器件具有毫秒級的快速的響應(yīng)時間，其恢復(fù)時間低于2 ms。他們還將摩擦發(fā)電器件與互鎖滲透石墨烯壓阻傳感器陣列層疊在一起，制備了一種神經(jīng)觸覺傳感器（圖5c）41。并且通過在頂面上引入微線圖案以模仿人類指紋的結(jié)構(gòu)和功能特性，該觸覺傳感器可以與具有復(fù)雜且精細的粗糙度圖案的紡織物相互作用（圖5d），從而能夠識別12種紡織物的紋理。Zhao等人40將摩擦發(fā)電器件和具有壓阻效應(yīng)的聚酰亞胺/還原氧化石墨烯泡沫（PI/rGO）組裝在一起，構(gòu)成自供能的壓力傳感器（圖5e）。其中摩擦發(fā)電器件收集風(fēng)能來產(chǎn)生電信號，而PI/rGO感應(yīng)風(fēng)壓來改變電阻而改變電信號，從而實現(xiàn)自供能的壓力檢測。如圖5f所示，當在泡沫材料上施加30 N的力時，電阻的變化超過90%。

摩擦發(fā)電器件還能來驅(qū)動濕度、氣體等傳感器。Zhang等人42報道由摩擦電供能的柔性二硫化錫納米花/還原氧化石墨烯（SnS2/rGO）濕度傳感器。如圖5g所示，SnS2/rGO的濕敏薄膜被絲網(wǎng)印刷在帶有金插手電極的柔性PET基板上，而摩擦電結(jié)構(gòu)通過整流電橋，為濕度傳感器穩(wěn)定地供電。該摩擦電供能的濕度傳感器具有穩(wěn)定的輸出電壓（0-24 V）和比較廣的檢測范圍（0-97%相對濕度）。電子科技大學(xué)Su等人43利用摩擦電結(jié)構(gòu)驅(qū)動基于氧化鋅-還原氧化石墨烯（ZnO-rGO）的氣體傳感器。如圖5h所示，在摩擦電結(jié)構(gòu)的驅(qū)動下，ZnO-rGO氣體傳感器可以在紫外線照射下自發(fā)檢測二氧化氮（NO2）的濃度，其中插手電極兩端的電勢差與NO2濃度成比例關(guān)系。該自供能氣體傳感器對NO2的響應(yīng)性至少比其他氣體傳感器高49倍。

圖5 摩擦電單元驅(qū)動石墨烯傳感單元的復(fù)合自驅(qū)動傳感器Fig.5 The compound self-driving sensors of graphene sensing units driven by triboelectric units.

5 水伏供能

隨著納米材料的興起，人們發(fā)現(xiàn)各種形式的水與之發(fā)生耦合時會直接產(chǎn)生電壓，從而出現(xiàn)了一種新的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，稱之為水伏效應(yīng)74,75。這種效應(yīng)與光伏效應(yīng)等其他能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)類似，但是更加引人注目的是，納米材料與水之間的電耦合能夠直接將各種形式的水能轉(zhuǎn)化為電能。目前已有研究發(fā)現(xiàn)，當碳納米管、多孔碳、石墨烯等碳納米材料暴露于流動、波動、滴落和蒸發(fā)的水時會產(chǎn)生電勢差，分別稱為流動電勢、波動電勢、拖曳電勢和蒸發(fā)電勢17-19。

石墨烯由于其顯著的量子效應(yīng)和表面效應(yīng)，可與各種形式的水發(fā)生耦合而輸出顯著的電信號，在水伏效應(yīng)中得到了廣泛的研究。相較與其它碳納米材料，石墨烯具有平面六邊形結(jié)構(gòu)，更加容易通過微納加工成各種形狀并且與其他器件集成。此外，石墨烯價鍵結(jié)構(gòu)中的碳—碳sp2鍵由面內(nèi)的σ鍵和面外的大π鍵構(gòu)成，其中暴露于面外的π鍵是石墨烯狄拉克載流子特性的主要來源，這也使其對光、電、熱等外場的作用十分敏感8。當處于水環(huán)境時，石墨烯表面容易吸附水分子或水合離子，使本身物性受吸附水的調(diào)控，形成不同程度的p型摻雜。

水伏效應(yīng)在自供能傳感中具有潛在的應(yīng)用。當水或溶液與石墨烯發(fā)生動態(tài)作用時，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移、離子吸附-脫附、靜電感生電荷、電子-聲子相互作用等微觀作用，通過固-液界面耦合直接在碳納米材料中產(chǎn)生宏觀可測量的電信號。利用電信號輸出即可反向推測出固-液界面的性質(zhì)，繼而得知固體或液體的某些性質(zhì)，因此，水伏效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對流體運動、溶液濃度、濕度等方面的自供能傳感。

當流體在石墨烯上流動時，會使靜止狀態(tài)下的平衡的固液界面（如雙電層）發(fā)生擾動，驅(qū)使溶液中的離子、分子等帶動碳納米材料中的聲子、載流子等微觀粒子發(fā)生不對稱運動，在不同位置產(chǎn)生凈電荷積累，產(chǎn)生宏觀可測量的電壓和電流，通過測量到的電壓或電流則可以反向推算出液體的流量、流速等流動狀態(tài)參量，這就構(gòu)成了微納尺度的流量傳感器。這種傳感器從工作模式上看非常簡單，但其尺度卻可以突破常規(guī)傳感器的體積限制，在微流體、生物環(huán)境探測等方面很有潛力。Yin等人18在研究化學(xué)氣相沉積的大面積單層石墨烯與液體作用時發(fā)現(xiàn)，人工配置的海水溶液（0.6 mol·L-1氯化鈉溶液）上下波動時，豎直插入其中的石墨烯層上下兩端會產(chǎn)生電壓信號（圖6a）。該電壓與溶液固液界面的波動速度有明顯的近線性關(guān)系，液面波動速度越快，電壓信號也越大（圖6b）。這是由石墨烯-溶液界面的雙電層電容的動態(tài)充放電引起。當固-液界面的動邊界速度為cm·s-1級別時，產(chǎn)生的電壓信號為mV級別；波動更快時，產(chǎn)生的電壓信號可以百毫伏級別，可以方便地將海浪等的行動轉(zhuǎn)化為易監(jiān)測和處理的電壓信號。

對液滴的探測是對流體探測的一種特殊情形，但在自然界中，水滴運動（如降雨）的現(xiàn)象又十分頻繁。當在單層石墨烯表面上拖曳一滴含離子液滴時，會產(chǎn)生與運動速度成正比的電壓信號。該現(xiàn)象可以用微電容充放電的模型來解釋，由此產(chǎn)生的電壓可以指示液滴的運動速度。當使用多個探測電極時，可以更好地測量液體在表面上運動的詳細信息，如使用正交的4個電極，可以測量到蘸水毛筆的筆尖在石墨烯表面運動的方向和輕重緩急（圖6c-d）9。Lin課題組44在石墨烯層下加入聚四氟乙烯（PTFE）增強靜電摩擦效應(yīng)，抑制由雙電層擴散層中的陰離子引起的屏蔽效應(yīng)，結(jié)果表明0.1 mL的液滴可以產(chǎn)生大于100 mV的電壓，0.6 mL的液滴可產(chǎn)生0.4 V電壓，3個0.6 mL的液滴串聯(lián)可以得到1.1 V電壓（圖6e-f）。之后他們還在石墨烯層下加入壓電聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF），發(fā)現(xiàn)當使用去離子水時都能產(chǎn)生高達0.1 V的明顯的電壓輸出76。

圖6 基于石墨烯水伏效應(yīng)的自供能傳感器Fig.6 Self-powered sensors based on hydrovoltaic effect of graphene.

水伏信號除了與水的流速密切相關(guān)外，也與水中離子的濃度和種類密切相關(guān)。水伏效應(yīng)中觀測到的電壓與溶液濃度的關(guān)系則通常是非單調(diào)變化的：在低濃度溶液中，適當?shù)脑黾与x子濃度會增加電壓信號輸出；但超過一定濃度（0.01 mol·L-1）輸出電壓則會隨離子濃度繼續(xù)增加而降低9。各個課題組還嘗試了石墨烯與不同的離子溶液耦合，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的峰值電壓不同。

除了探測流體外，石墨烯也能與氣態(tài)水分子也會發(fā)生多種作用，從而產(chǎn)生可用于濕度監(jiān)測的信號。如當內(nèi)部含氧基團呈梯度分布的氧化石墨烯薄膜表面吸附氣態(tài)水分子時，將導(dǎo)致其內(nèi)部離子的重新分布，從而在膜的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差45。該膜能夠到低于5%的濕度變化，在濕度變化30%時，對應(yīng)輸出電壓變化約為20 mV （圖6i）。如圖6j所示，該膜能夠檢測到人體呼吸引起的濕度變化，所以能夠作為自供能的呼吸傳感器監(jiān)測人的呼吸頻率。如圖6k所示為在不同強度的運動后監(jiān)測到的呼吸頻率，并且能夠反映人的心率。他們將氧化石墨烯膜組裝成三維泡沫結(jié)構(gòu)后進一步增強了濕度敏感性，濕度變化75%時，樣品兩端的電勢差可在2 s內(nèi)上升到260 mV46。然而，上述裝置的發(fā)電主要取決于含氧基團梯度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。最近發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)任何預(yù)處理的原始的氧化石墨烯膜也可以直接產(chǎn)生百毫伏級的電壓47。如圖6g所示，將原始的氧化石墨烯膜直接印刷在紙基底上并從電極的頂部引入水分時，氧化石墨烯膜內(nèi)部出現(xiàn)水蒸氣梯度代替含氧基團梯度起作用。該膜能夠響應(yīng)不同的相對濕度并且產(chǎn)生百毫伏級的電壓輸出（圖6h），有希望用于自供能的濕度探測。

6 其它供能方式

除了以上供能方式外，還有許多其它的供能方式，如熱電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓電光電子效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、熱釋電光效應(yīng)等方式。

熱電效應(yīng)是利用溫差來驅(qū)動載流子的擴散，使載流子在冷端積累，從而形成溫差電動勢。因此，具有良好熱電性能的石墨烯材料可以實現(xiàn)自供能的溫度傳感49。此外，溫差電動勢還能應(yīng)用于應(yīng)變傳感中。Zhang等人48通過真空過濾工藝獲得了石墨烯/Ecoflex熱電薄膜，并在其兩端加裝加熱器和冷卻器，以在整個薄膜上建立溫度梯度，從而在回路中產(chǎn)生溫差電動勢并輸出電流（圖7a）。同時，石墨烯/Ecoflex薄膜也是良好的壓阻材料，受到拉伸時電阻隨應(yīng)變增加而不斷增加。因此，如圖7b所示，輸出的溫差電流將隨應(yīng)變增大而減小，在溫差為21.6 K時施加25%應(yīng)變產(chǎn)生的電流變化（ΔI/I0）約為56%，能夠作為自供能的應(yīng)變傳感器。

壓電效應(yīng)可以將機械能轉(zhuǎn)換電能從而為器件供能，常見的壓電材料有鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、氧化鋅納米線以及PVDF等。此外，還有壓電離子效應(yīng)（Piezoionic effect）材料。與壓電效應(yīng)的極化電荷機制不同，壓電離子材料是通過離子再分布機制響應(yīng)機械變形而產(chǎn)生電輸出。離子聚合物-金屬復(fù)合材料就是典型的壓電離子材料。如圖7e所示，它是由兩貴金屬電極夾一離子聚合物薄膜所構(gòu)成的。當發(fā)生機械變形時，材料的一側(cè)會拉伸，而另一側(cè)會被壓縮。這種施加的應(yīng)力梯度導(dǎo)致內(nèi)部移動離子從壓縮區(qū)域移動到擴展區(qū)域。由于陽離子和陰離子之間的大小差異，離子的移動是不均勻的，而離子分布的不平衡會產(chǎn)生外部電信號。Liu等人50則使用石墨烯復(fù)合材料替代貴金屬電極，形成的壓電離子材料的輸出電壓得到顯著提高。如圖7f所示，該壓電離子材料可以作為自供能的應(yīng)變傳感器，將其緊貼手腕，可以實現(xiàn)對人體脈搏的實時監(jiān)測。圖7g為人體運動前后該傳感器所記錄的電壓信號。它清楚地表明，經(jīng)過劇烈運動后，人的脈搏頻率從每分鐘83次搏動增加至每分鐘107次搏動。壓電效應(yīng)還能用于調(diào)節(jié)肖特基結(jié)或p-n結(jié)的內(nèi)建電場來控制光生載流子的產(chǎn)生和輸運，從提高光電器件性能，這一效應(yīng)稱之為壓電光電子效應(yīng)。Yu等人77將還原氧化石墨烯與具有壓電效應(yīng)的硫化鎘納米棒構(gòu)成肖特基結(jié)自供能光電探測器（圖7c）。當對硫化鎘納米棒施加4%壓縮應(yīng)變時，器件的光響應(yīng)度提高了11%左右，如圖7d所示。

熱釋電效應(yīng)是由于溫度變化產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象。Roy等人78通過靜電紡絲法制備了氧化石墨烯摻雜的PVDF纖維，該纖維具有良好的熱釋電性能，能與電極和PDMS層構(gòu)成熱釋電納米發(fā)電機（圖7h）。他們將其安裝在N95口罩上，使其感應(yīng)連續(xù)呼吸過程中的周期性溫度波動，從而產(chǎn)生熱釋電電勢（圖7i）。因此，該熱釋電納米發(fā)電機可以用作自供能的呼吸傳感器。熱釋電電勢同樣能用于調(diào)制肖特基結(jié)或p-n結(jié)內(nèi)的內(nèi)建電場，來影響載流子的光電過程，這一現(xiàn)象被稱為熱釋電光電子學(xué)效應(yīng)。Sahatiya等人79首次將石墨烯和具有熱釋電效應(yīng)的氧化鋅結(jié)合構(gòu)成了熱釋電光電子納米發(fā)電機，可用于自供能的近紅外探測。值得注意的是，該器件工作時不存在光生載流子，這與大多數(shù)傳統(tǒng)的光電探測器不同，在傳統(tǒng)的光電探測器中，照明產(chǎn)生光生載流子，內(nèi)建電勢分離光生載流子，從而形成光電流。在此，近紅外光照射引起的電流變化是由于熱釋電電勢調(diào)節(jié)耗盡層而發(fā)生的（圖7j）。如圖7k所示為器件對紅外線照射的響應(yīng)曲線，光照時產(chǎn)生熱釋電電勢，耗盡層增加，產(chǎn)生負向電流；溫度穩(wěn)定后，電流降為零；停止光照后產(chǎn)生反向的熱釋電電勢，電流正向增加，直到溫度再平衡后電流歸零。

圖7 其它供能方式的石墨烯基自供能傳感器Fig.7 Graphene-based self-powered sensors with other energy supply methods.

7 結(jié)論與展望

石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)賦予其電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等諸多優(yōu)異的性能，并且可以通過官能化、雜化等方式進一步擴展其功能，在傳感、能源的捕獲和存儲等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。石墨烯既是良好的傳感材料，又能用于捕獲和存儲能量，這為自供能傳感系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的便利。在這篇綜述中，我們根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)化方式，如化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)化、光-電轉(zhuǎn)化、機械能（摩擦）-電能轉(zhuǎn)化等，系統(tǒng)地總結(jié)了基于石墨烯的自供能傳感器件和系統(tǒng)。這些自供能傳感器件和系統(tǒng)自身能夠轉(zhuǎn)化和捕獲能量，無需外部電源和線纜集中供能，滿足了智能化物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。

當前，基于石墨烯的自供能傳感器件和系統(tǒng)的設(shè)計思路主要分兩種：一是直接將其它能量轉(zhuǎn)化成可測量的電信號，通過該電信號獲取信息，如通過摩擦電效應(yīng)、光伏效應(yīng)、水伏效應(yīng)分別實現(xiàn)對觸摸、光、流體運動等信號的自供能探測；二是將其它能量轉(zhuǎn)化為電能，來給傳感單元供能，如給基于石墨烯的壓敏單元、氣敏單元等供能。兩種設(shè)計思路分別對自供能系統(tǒng)中供能單元提出了不同的要求。

第一種設(shè)計思路要求石墨烯基的能量轉(zhuǎn)化單元能夠快速而穩(wěn)定地響應(yīng)化學(xué)分子、濕度以及應(yīng)變、光、熱等物理場，這對石墨烯的制備技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。無論是CVD方法還是氧化還原方法制備的石墨烯產(chǎn)物，其導(dǎo)電性、外場敏感性等都因?qū)χ苽溥^程各工藝條件高度敏感而表現(xiàn)出大的分散性，因此要實現(xiàn)這類智能傳感器件的工程化應(yīng)用，需要不斷發(fā)展產(chǎn)物一致性高度可控的石墨烯制備方法。第二種設(shè)計思路則把供能結(jié)構(gòu)與傳感結(jié)構(gòu)局部分離，通過供能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而持續(xù)地電能輸出驅(qū)動傳感單元，甚至與微邏輯器件結(jié)合形成集信號傳感、處理、分析于一體的自供能傳感系統(tǒng)。石墨烯的柔韌性、平面易加工性有很大優(yōu)勢，但其在復(fù)雜環(huán)境下的電學(xué)性能穩(wěn)定性、自愈性、電聯(lián)接/電極接觸可靠性也還有大量材料和技術(shù)問題需要進一步解決。我們相信隨著石墨烯制備和器件構(gòu)筑技術(shù)的進步，基于石墨烯的自供能傳感器件和系統(tǒng)會迎來更大的發(fā)展，從而充分展現(xiàn)其自供能、自傳感優(yōu)勢，并在物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴電子設(shè)備、植入式電子設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。