物聯網(Internet of Things; IoT)是未來發展最快速的領域之一。物聯網概念最初起源於比爾蓋茲在1995年《未來之路》一書，許多國家早已將發展物聯網技術列為國家級計畫。在物聯網技術中包含物聯網可分為三個階層，分別為感知層(Device)、網路層(Connect)、應用層(Manage)。感知層在物聯網技術裡扮演一關鍵技術，其包含具有感測、無線射頻識別標籤(RFID)及通訊能力設備與讀寫、衛星定位系統(GPS)、影像處理器、溫度、濕度、紅外線、光學、壓力、聲音等各式感測器。這些訊息如何透過現有網路系統進入雲端伺服器，讓使用者能即時得到訊息進行控管至為重要。因此，研製自供電能源感測器與能源擷取的奈米發電機(Nanogenerator)系統，在未來物聯網的發展將是一個重要課題與產業。
奈米發電機依應用面可簡單分為儲能發電及自供電智能感測；而奈米發電機的材料系統則可分為摩擦發電式奈米發電機(Triboelectric Nanogenerator; TENG)(1)與壓電式奈米發電機(Piezoelectric Nanogenerator; PENG)。
摩擦發電式奈米發電機
所謂摩擦發電式奈米發電機即是利用摩擦起電效應（Triboelectric Effect，或稱Contact Electrification）來設計具有感測器或能源收集等功能的元件，自2012年興起，至今還很熱門的研究領域。
利用摩擦起電效應來設計元件有趣的地方就在於任何材料都可被用來當作接觸材料，如在生活中常見的衣服纖維及紙張，也都有相關成果。在衣服纖維的部分，主要是利用導電的碳纖維當作核心，在上面成長具壓電性的氧化鋅奈米線陣列，然後沉積銅金屬作為另一導電輸出層，最後使用PDMS包裹整根纖維。PDMS在這邊不僅有保護元件的作用，也是一個容易在接觸後帶大量負電荷的材料，最後當另一根纖維與此纖維元件接觸時，此纖維元件便可產生藉由摩擦及壓電雙重效應的兩個電輸出。另外我們也演示了自供電衣物感測系統，用於量測人體肢體的健康程度（圖二(a)）。
圖二、(a)利用衣服纖維所建構的奈米發電機，可用於量測人肢體的動作；(b)利用紙張所建構的奈米發電機，可用於量測壓力或物體重
壓電式奈米發電機
壓電發電機也是一種能源擷取器與自供電感測器，透過外在環境自身提供的機械力，它可在微小的尺度內產生電力，有別於摩擦式奈米發電機，不須更換電池就能運作，應用在例如：持續監測病患血糖濃度的植入性生物偵測器、自動拉緊橋墩的結構偵測器，或是偵測有毒物質的環境偵測器等。
壓電發電機的工作原理有別於摩擦式奈米發電機，筆者以先期性研究錫酸鋅奈米發電機為例，說明奈米發電機的工作原理。圖四(a)顯示一組奈米發電機在金屬與半導體接面呈現單邊蕭特基接觸，當壓電晶體未承受任何壓力時，元件本身與電極所形成蕭特基能障(Schottky Barrier; ΦS)之能帶結構。當元件承受壓應力時，促使元件在左側電極接面處建立壓電勢，此壓電勢提升壓電晶體導帶的能勢，促使電子由左往右移動經外迴路流至右側電極，如圖四(b)所示，此時元件會瞬間輸出電流並達飽和。
圖四、(a)單根奈米發電機之電壓-電流特性曲線呈現單邊蕭特基行為；(b)錫酸鋅壓電材料的輸出壓電勢(P)分佈；(c)初始條件下壓電元件等效電路能帶圖
近年來，在奈米發電機中使用對環境友善的材料已成為當今科學研究的重要議題。目前壓電材料的應用仍以鉛系材料為主（如Lead Zirconate Titanate(PZT)陶瓷），因此除了環境考量之外…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：吳志明/清華大學材料科學工程系、林宗宏/清華大學生物醫學工程所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期，更多資料請見下方附檔。