近日，物理科学与工程技术学院孙文红团队在Nature Index著名学术期刊《Applied Physics Letters》上发表了题为“A Cu/P-type GaN triboelectric nanogenerator with power density over 100 W/m2”的研究论文。该论文被编辑选为“Editor's Pick”文章，在APL官网首页加以重点展示（Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field）。
金属半导体直流摩擦电纳米发电机（MSDC-TENG）因其功率密度比传统发电机高102−103倍而受到越来越多的关注。作为第三代半导体材料， GaN具有独特的光电特性。在本论文中，我们首先制备的新型Cu/GaN MSDC-TENG的性能并不令人满意（开路电压（Voc）~5.6 V，短路电流（Isc）密度~0.5 A/m2）。随后我们用Mg2+离子掺杂GaN形成P型GaN，并通过调节P型GaN的载流子浓度来调节发电机的Isc密度。实验结果表明，随着载流子浓度的增加，Cu/GaN摩擦电纳米发电机的Voc从5.6 V增加到14.2 V，Isc密度增加了51倍（Isc密度从0.5 A/m2增加到25.5 A/m2）。我们的实验过程结合宽禁带半导体能带理论为MSDC-TENG的电流密度调节提供了一种崭新的思路。
GaN中载流子浓度的增加对输出电流有以下影响：（1）当载流子浓度增加时，流向界面的电子数增加，电子被界面反弹的概率增加，随着载流子浓度的增加，热电子的数量增加（2）耗尽区变薄（如下图），这导致内置电场增加，并加速热电子的流动（3）随着GaN中载流子浓度的增加，缺陷密度也增加，样品的表面粗糙度增加，GaN的表面结构受到更大程度的破坏，界面处有更多的断裂的结合见键，这增加了电子在界面处的反弹概率。
论文作者：校凯（博士生），冯源（硕士生），韦文旺（博士生），彭逸（博士生），陈志强（硕士生），邓少东（硕士生），王玉坤，姚辉璐，邓荐宇，孙文红（通讯作者）。
论文链接： https://doi.org/10.1063/5.0076658；
doi: 10.1063/5.0076658