【成果】于连栋教授团队在飞秒激光微纳加工新能源微纳器件领域取得新进展

近日，我院于连栋教授团队在飞秒激光微纳加工新能源微纳器件领域取得重要突破。相关研究成果Femtosecond laser spatial shaping of ZnO-PVDF microstructures for interfacial charge regulation enhancing solid-liquid triboelectric energy conversion和Temporally shaped femtosecond laser liquid-phase processing of PVDF-laser-induced graphene/graphene for flexible micro-supercapacitor sensors分别发表在中国科学院一区TOP期刊《Journal of Colloid And Interface Science》（SCI，IF 9.7）和二区TOP期刊《Carbon》（SCI，IF 11.6）。论文作者为2023级硕士研究生崔芙惠，通讯作者为于连栋教授与陈孝喆副教授。太阳集团tyc234cc为论文第一署名单位及通讯单位。本系列研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目的联合资助。

图1 论文首页

工作一：

固液摩擦纳米发电机（SL-TENGs）因可用于水资源收集领域而备受关注。然而，传统加工方式精度不足，难以进一步提升摩擦层的面能量密度。本研究采用飞秒激光技术在聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜上制备三维仿生结构，结合液相工艺在指定区域植入氧化锌（ZnO）晶种，并通过水热合成法生长ZnO纳米锥状结构。实验探究了不同激光能量与激光频率下材料的形貌演变规律，同时对不同工艺参数制备的样品形貌进行表征与分析。基于不同参数制备的SL-TENG，其平均峰值开路电压提升至41.68 V，增幅达1.88倍；平均峰值短路电流达到256.37 μA，提升10.52倍；最大功率密度为3.28 W/m²，同比增长7.45倍。研究还在多种溶液环境下对器件输出性能进行测试，结果表明该SL-TENG具备良好的工作稳定性。本文提出利用飞秒激光加工调控ZnO-PVDF体系的界面电荷，有效强化了SL-TENG的发电性能，也为该领域后续研究提供了思路与参考。

图2 空域整形飞秒激光加工固液摩擦纳米发电机

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979725022921

工作二：

针对微型超级电容器（MSC）基柔性传感器普遍存在的加工精度受限、材料性能难以优化等问题，本文提出一种时域整形飞秒激光液相加工策略，用于PVDF薄膜改性。飞秒双脉冲与PVDF相互作用可实现材料原位表面石墨化，形成层状激光诱导石墨烯（LIG）结构；同时，激光可将分散液中的石墨烯片解离为纳米颗粒，并使其牢固附着在LIG表面，构筑出“层状LIG-纳米石墨烯颗粒”多级复合功能层。结合飞秒激光直写图形化工艺，本研究制备出基于时域整形激光的微型超级电容器。通过系统调控脉冲间隔，确定20 ps为最优脉冲延迟；该参数下器件面积比电容达162 mF・cm⁻²，能量密度为14.40 μWh・cm⁻²，经10000次循环后容量保持率仍有97.81%，具备优异的循环稳定性与耐用性。将该微型超级电容器组装为柔性传感器，可高灵敏度监测各类人体生理活动，并能清晰区分不同信号特征。本研究构建了一种全新的激光加工体系，适用于柔性微型储能器件，也为面向健康监测、人机交互及运动康复领域的柔性电子系统发展，提供了通用性良好的材料与器件平台。

图3 时域整形飞秒激光加工微纳超级电容器

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622326005270