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摘要：从黄芩（唇形科黄芩属）根部提取出极性分子黄芩素，通过真空蒸镀制备出驻极体薄膜并用此实现了振动发电，其微型机电系统（MEMS）兼容性良好，有望应用半导体工艺获得超小型振动发电元件。

关键词：驻极体、黄芩素、蒸镀薄膜、振动发电、MEMS

要点

从黄芩（唇形科黄芩属）根部提取出极性分子黄芩素，通过真空蒸镀制备出驻极体薄膜并用此实现了振动发电
阐明了驻极体的特性在大气中很快消失的原因，并确认了通过形成保护膜可以提升其耐久性
由于可将微小振动作为能源，实现环境发电，有望用作可穿戴设备等的分布式电源。

概要

研究团队成功证实，通过提高具有自发取向极化的黄芩素蒸镀薄膜表层和底层所积蓄的电荷密度（即极化电荷密度），并提升其耐久性，可将其用作振动发电元件。

与能够长期保持磁性的物质相对，能够长期保持静电的材料被称为“驻极体”（electret）。驻极体已被应用于小型麦克风中将振动转换为电信号的元件，以及空气净化器等设备的过滤器中。此外，由于可利用驻极体产生的电场将振动转化为电能，因此近年来正在研究提升其密度和耐久性，使其能够应用于面向物联网（IoT）传感器的分布式电源中的振动发电元件。另一方面，随着这类传感器的普及，预计所需电源数量将出现增长，因此也迫切需要探索可持续供应且在电源废弃后对环境影响小的材料。

此次研究发现了一种源自植物的分子，无需大规模电荷处理，仅通过真空蒸镀即可形成具备驻极体功能的“自组织驻极体”，并使用由其形成的膜推进开发振动发电元件。结果表明，通过优化成膜条件，其极化电荷密度达到了2 mC/m²，与作为自组织驻极体发挥功能的现有化学合成品相当。同时，通过形成保护膜，抑制了导致劣化的水蒸气吸附和扩散，提升了其耐久性。然后，验证了其实际作为振动发电元件可以发挥功能。

此次发现的自组织驻极体与微型机电系统（MEMS）兼容性良好，有望应用半导体工艺获得超小型振动发电元件。此外，在可穿戴设备、环境传感器等领域，有望用作无需更换电池和充电的IoT传感器独立电源。

研究背景

环境发电是一种将周围环境中未被利用的能量，如光、热（废热或体温）、振动、电磁波、湿度变化等，转化为电能的技术。其发电容量不大，仅为微瓦或毫瓦级别，但是在可穿戴设备、环境传感器等领域，作为无需更换电池和充电的IoT传感器独立电源而受到关注。其中，将振动转化为电能的振动发电技术包括压电式、电磁式等多种方式，各有优缺点。其中，将电极间电容的变化转化为电能，使用驻极体的静电式振动发电元件，与其他方式相比，其特点是在低频振动下输出功率更大。此外，若通过MEMS技术将元件微小化，可以安装在小型IoT传感器中。

静电式振动发电元件中所使用的驻极体，常被称为“电学上的永磁体”。与能够长期保持磁性的永磁体（磁铁）类似，驻极体是一种能够长期保持电荷或极化的材料。驻极体的概念早在一百多年前就已被提出，目前已广泛应用于小型麦克风中将振动信号转换为电信号的元件，以及空气净化器中的过滤器等实际产品中。然而，将其应用于振动发电元件仍处于研发阶段。要实现实用化，除了面临在大面积上高密度且均匀地赋予电荷或极化这一制造工艺上的困难外，还存在因环境影响导致储存的电荷或极化随时间逐渐衰减的问题。此外，随着未来IoT传感器部署数量的持续增长，用于其自主电源的材料应具备可持续供应性，并在废弃处理时尽可能降低对环境的影响。

研究内容

本研究中，首先采用KP法研究了黄芩素蒸镀膜的自发取向极化行为。通过在电极上缓慢沉积薄膜，并测量不同膜厚下的表面电位，发现存在一个表面电位随膜厚增加而成比例升高的区域（图1b中虚线部分）。这种线性的电位变化表明了自发取向极化的产生。也就是说，在蒸镀膜中，黄芩素分子的永久偶极子未在相邻分子间完全抵消，在垂直于基板的方向上形成了正负电荷的偏差（极化）（图1b插图）。

在线性区域，表面电位的斜率与极化电荷密度成比例。由于将蒸镀膜用作驻极体的振动发电元件中产生的电流也与极化电荷密度成比例，因此电位的斜率可作为估算振动电流的指标。在形成黄芩素膜时，若将蒸镀速率从1 Å/s提高至约3倍，永久偶极子的取向性提高，线性区域的斜率由55 mV/nm增加至72 mV/nm（图1b）。该表面电位斜率与有机发光二极管材料1,3,5-三（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯 ( TPBi）相当，这是一种典型的表现出自发取向极化的低分子材料。此外，根据该斜率估算极化电荷密度，在3 Å/s蒸镀速率下制备的膜达到2.4 mC/m²。这一数值与市售的使氟系聚合物带电后形成的驻极体相当，表明植物来源的极性分子也能积蓄与现有驻极体材料相同水平的电荷量。

图1 (a) 黄芩素的分子结构；(b) 采用KP法测得的表面电位与膜厚的相关性。插图为自发取向极化的示意图，空心箭头表示永久偶极子的方向；(c) 不同膜厚的黄芩素蒸镀膜的SFG光谱；(d) 短路时振动电流密度随时间的变化。

接着，利用能够检测分子排列朝特定方向的局部振动光谱的和频生成（SFG）光谱技术对黄芩素膜进行了评价。结果表明，随着膜厚增加，SFG信号强度也随之增强（图1c）。该趋势与在基板垂直方向上产生均匀电场的样品所发出的SFG理论模型高度一致（图1c插图）。由此可知，在相邻分子间未被抵消的永久偶极子的分子排列重叠，蒸镀膜出现极化。

然后，以氧化铟锡（ITO）为固定电极，以KP测量装置的探针为可动电极，在真空中测量了短路时的振动电流（图1d）。结果表明，由于外部电路中产生了交流电流，黄芩素蒸镀膜确实可以发挥驻极体的功能。

要将显示自发取向极化的薄膜应用于振动发电元件，必须确保其在工作环境中的极化状态稳定。许多IoT传感器是设想在大气中使用。然而，在大气中，黄芩素蒸镀膜的极化状态会因水蒸气吸附引起的结晶化而在4.4小时内丧失。于是，为抑制水蒸气向黄芩素膜的扩散，研究人员调查了是否可通过疏水性分子的蒸镀膜来进行保护。对于无保护层的黄芩素膜，表面电位降至初始值一半时在大气中暴露的时间（T₅₀）为3.8小时，而添加厚度为200 nm的9-(1-萘基)-10-(2-萘蒽（1,2-ADN）保护层时，T₅₀可延长至132小时（图2a）。此外，即使仅用简单的长链烷烃蒸镀膜进行保护，也能将T₅₀延长至100小时以上。

最后，制作出原型振动发电元件，并评价了其在大气中的运行情况（图2b）。在被ITO覆盖的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上形成黄芩素，用1,2-ADN膜将其保护，作为驻极体使用（图2b）。通过扬声器使ITO/玻璃基板侧振动，并利用电阻将产生的电流转换为电压进行测量。结果发现，该装置能够根据振动频率输出相应的电压（图2c）。

图2 (a) 保护膜对大气中表面电位随时间变化的影响；(b) 原型振动发电元件的结构；(c) 制作出的发电元件的输出电压随时间的变化。

这些结果表明，通过真空蒸镀获得将植物来源的黄芩素制成的薄膜，可作为自组织驻极体发挥作用，有望应用于将环境中的振动转化为电能的发电元件。

未来展望

为将黄芩素蒸镀膜作为在大气中使用的IoT传感器分布式电源进行长期使用，迫在眉睫的课题是进一步延长其极化状态。今后，为进一步提高黄芩素的大气稳定性，研究团队将推进研究，寻找能够更有效抑制水蒸气扩散的材料，并优化表面保护方法。同时，也将探索除黄芩素以外的，能够作为自组织驻极体发挥功能的其他植物来源材料。基于这些基础研究，致力于确立用于IoT传感器分布式电源的器件制作技术。

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2026/pr20260721/pr20260721.html

https://doi.org/10.1002/adfm.76653

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采用含有植物分子的薄膜制成元器件，成功演示其振动发电性能