随着智慧互联的飞速发展，穿戴式及柔性电子设备等分布式智能终端持续接入庞大网络，亟需发展能够适配分布式、异构化系统的高熵能源收集网络，以支持海量传感节点稳定运行。摩擦纳米发电机作为满足分布式能源需求的潜在解决方案，已展现出显著潜力，但仍面临若干关键挑战：现有柔性摩擦电材料普遍存在电输出性能有限、环境稳定性不足，以及微观结构演化与宏观电学性能之间的作用机制尚未明晰等核心问题。
为解决上述挑战，北京大学付恩刚教授与合作者哈尔滨工程大学烟台研究院樊勇副教授带领的联合研究团队，创新性地将核物理领域中的离子束技术与聚合物改性研究相交叉，发展出一种面向柔性聚合物的梯度离子注入改性新策略，实现了原子级精度的可控制造。
该研究通过设计梯度剂量氮离子束注入实验，实现了对PET材料表面酯基分子基团的精确断裂调控，进而诱导生成高活性自由基。同时，持续注入的氮离子与断裂的分子链发生接枝反应，成功构建了含氮化学键与极性官能团。这一分子层面的基团调控策略有效增大了材料的电偶极矩，增强了改性后PET的分子极性，从而显著提升了其宏观摩擦电性能。
结合密度泛函理论（DFT）计算进一步阐释了表面电荷传输的增强机制。研究发现，改性后的PET-5E14（注入剂量为5×10¹⁴ ions/cm²）表面分子的能量带隙由3.263 eV减小至1.926 eV。带隙收缩显著降低了电子从价带顶（HOMO）跃迁至导带底（LUMO）所需的能量，从而使电子更易于激发，有效提升了表界面电荷传输效率。表面静电势（ESP）分布分析进一步显示，离子注入使PET表面分子结构的电子能量提升了约4.3哈特里。这主要归因于价带顶（HOMO）的上移及带隙的同步缩小，表明局部区域存在明显的负电荷聚集，尤其在电子云密度较高的位置。这些低静电势区域对带正电物质（如质子、阳离子等）表现出更强的静电吸附作用，进而显著增强了界面电荷传输密度（如图1所示）。
图1. （A）SRIM模拟N离子注入的辐照损伤与浓度分布；（B）梯度剂量N离子注入对于表面分子结构的不同调控路径；（C）DFT计算离子注入引起的能量带隙和静电势变化。
本研究制备的TENG器件展现出优异的电学性能，如图2所示。相较于原始PET，PET-5E14的输出电压、电流及表面电荷密度分别提升了13倍、10倍与7倍，充电电压提升达18倍，并能在400秒内将100 nF的电容器充电至6.13 V，能量转换效率提升了327.7倍。此外，通过纯电荷注入方式处理的PET，其电输出性能在8分钟内即衰减至初始水平，而采用梯度离子注入的PET-5E14在稳定性方面至少提升了1440倍。同时，经过约36,000次垂直接触分离循环测试后，PET-5E14仍表现出卓越的电学稳定性与材料耐磨性。
该结果表明，离子束技术结合原子级制造策略，可实现聚合物表面化学键的定向重构与极性基团的精准设计，同时为可穿戴传感、柔性电子及生物医学材料等领域的发展提供了创新的改性理论支撑。
图2. （A）TENG的结构与工作方式示意图；纯电荷注入PET（B）与PET-5E14（C）的电性能长寿命实验；（D）改性的PET充放电性能；（E）PET-5E14电性能经过36000次循环保持稳定；（F）基于高性能智能柔性起电材料的可应用领域。
这一研究成果以Gradient Ion Beams Regulate Surface Group Modification to Enhance Interfacial Charge Transfer为题，发表于综合类一流期刊Advanced Science (https://doi.org/10.1002/advs.202518257)。哈尔滨工程大学烟台研究院硕士生陈一与北京大学物理学院博士生姚宇樑为论文共同第一作者，樊勇副教授和付恩刚教授为论文共同通讯作者。此工作得到国家自然科学基金项目，山东省自然科学基金项目，核物理与核技术全国重点实验室开放课题和北京大学核技术应用实验室的大力支持。由北京大学、哈尔滨工程大学、北京纳米能源所、厦门大学、核生化灾害防护化学全国重点实验室等单位合作完成。
Advanced Science是国际著名学术出版机构Wiley旗下“Advanced”系列旗舰期刊之一，被公认为全球顶尖综合类期刊。期刊最新影响因子为14.1，在中科院分区和JCR分区中均位于综合性期刊1区Top行列。
