纳米发电机物理基础

课程编码：1802120702J1P2002H 英文名称：Piezoelectric Materials and Nanogenerators 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：王中林等

本课程是研究生进入学院后为其开设的专业核心课.围绕纳米发电机能源转换系统的基本科学问题，以基本物理效应（接触起电效应，压电效应等）为基础，结合最新的研究进展（电子跃迁模型，界面光谱学），重点讲述物理机制，基本原理，模型构建与仿真等内容；希望让学习者掌握：扩展的麦克斯韦方程组、纳米发电机的驱动力--位移电流，纳米发电机的基本工作原理、输出特性等，理解最新发现的物理效应，为后续从事相关研究奠定理论基础和必备知识。

电磁学，电路，半导体基础，高等数学或物理数学方法

第一章 引言与概述 3学时 王中林
第1节 纳米发电机的研究背景与历史
第2节 纳米发电机的理论基础
第3节 纳米发电机能量转换系统介绍
第二章 接触起电效应的物理机制 3学时 邵佳佳
第1节 接触起电基本类型
第2节 电子跃迁模型
第3节 双电层结构
第三章 摩擦纳米发电机概述 3学时 邵佳佳
第1节 基本概念、结构和类型
第2节 器件组装与材料选择
第3节 输出测试与表征
第四章 摩擦纳米发电机的理论基础（上） 3学时 邵佳佳
第1节 极化矢量PS与本构方程
第2节 驱动力：位移电流
第3节 扩展麦克斯韦方程组
第五章 摩擦纳米发电机的理论基础（下） 3学时 邵佳佳
第1节 方程组的解法：矢量法
第2节 方程组的解法：微扰法与迭代法
第3节 方程组的解法：数值法
第六章 摩擦纳米发电机的理论模型 3学时 邵佳佳
第1节 数学物理模型
第2节 电学模型
第3节 数学物理模型与电学模型之间的联系
第七章 摩擦纳米发电机的输出特性 3学时 邵佳佳
第1节 瞬态与稳态输出
第2节 QV曲线与品质因数
第3节 设计原则与性能优化
第八章 纳米发电机能量转换--动态物理系统 3学时 邵佳佳
第1节 电系统
第2节 机械系统
第3节 多能域系统：耦合系统
第九章 摩擦纳米发电机能量转换系统的模拟仿真 3学时 邵佳佳
第1节 电磁场问题求解方法：解析法，数值法与半解析数值法
第2节 有限元法、矩量法与有限差分法
第3节 动力学仿真：COMSOL 为例
第十章 基于摩擦纳米发电机的先进技术 3学时 邵佳佳
第1节 微纳能源和高压电源
第2节 大规模蓝色能源：海洋能
第3节 作为扫描探针测量界面电荷
第十一章 新型器件：直流型摩擦纳米发电机 3学时 邵佳佳
第1节 基本概念和结构
第2节 工作原理
第3节 输出特性与典型应用
第十二章 新物理效应介绍 3学时 邵佳佳
第1节 交流光伏效应
第2节 摩擦伏特效应
第3节 界面光谱学和接触电致催化
第十三章 纳米发电机的总结与展望 2学时 王中林
第1节 纳米发电机的最新研究进展和发展机遇
第2节 纳米发电机的关键科学技术问题
第十四章 课程结业考试 2学时 邵佳佳
第1节 课程结业考试

王中林，国际纳米科技领域公认的领军型科学家，世界知名材料学家、能源专家，现任中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、首席科学家，中国科学院大学讲席教授、纳米科学与工程学院院长，美国佐治亚理工学院终身讲席教授。他是中国科学院外籍院士、美国国家发明家科学院院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院院士、韩国科学技术院院士。