自驱动传感与系统概论

课程编码：1802120702J1P2004H 英文名称：Nanogenerators and Self-powered Systems 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：唐伟等

纳米发电机是纳米技术领域内的前沿重大研究。本课程旨在让研究生掌握摩擦起电、压电极化的物理机制，及纳米技术如何将环境无序能源转换为有用的电信号，扩大学生的物理知识视野，增强其对前沿纳米能源材料的认识，为其后续的研究工作打下基础。要求研究生通过本课程的学习，重点掌握纳米发电机的类型、基本原理、基础理论、表征技术及典型应用，理解半导体压电基本概念和原理，能够设计简单的纳米发电机结构。

大学物理

第一章 自驱动传感与系统引言以及静电场的基本理论
第1节 自驱动传感与系统引言 0.5学时 唐伟
第2节 电荷间的作用力 0.5学时 唐伟
第3节 电场、电势与电压 1学时 唐伟
第4节 静电平衡 1学时 唐伟
第二章 自驱动摩擦电传感器件的四种工作模式及典型器件分析
第1节 接触分离模式器件 0.5学时 唐伟
第2节 水平滑动模式器件 0.5学时 唐伟
第3节 单电极模式器件 0.5学时 唐伟
第4节 独立层模式器件 0.5学时 唐伟
第5节 四种工作模式的对比与总结 1学时 唐伟
第三章 摩擦起电的电荷转移介绍
第1节 摩擦起电现象 0.7学时 唐伟
第2节 表征手段 0.7学时 唐伟
第3节 固固界面起电模型 0.8学时 唐伟
第4节 固液与固气界面起电模型 0.8学时 唐伟
第四章 微纳加工方法及其在自驱动摩擦电传感器件中应用
第1节 微加工工艺 1学时 唐伟
第2节 纳米加工工艺 1学时 唐伟
第3节 如何结合微纳加工制备高性能摩擦起电界面 1学时 唐伟
第五章 穿戴式传感系统
第1节 穿戴式生物电信号监测 0.7学时 唐伟
第2节 穿戴式运动传感技术 0.8学时 唐伟
第3节 穿戴式温度、汗液传感 0.7学时 唐伟
第4节 自驱动穿戴式运动传感 0.8学时 唐伟
第六章 自驱动摩擦电器件的其他前沿研究
第1节 能量管理策略 0.7学时 唐伟
第2节 电荷增强技术 0.8学时 唐伟
第3节 摩擦伏特效应 0.7学时 唐伟
第4节 接触电致催化 0.8学时 唐伟
第七章 课堂报告与分享
第1节 组织同学针对自驱动传感及系统领域，结合各自的兴趣点，总结2-3篇文献，整理成幻灯片的内容，在课堂上进行主题报告与分享 2学时 唐伟
第八章 感知的物理原理
第1节 感知和知觉的基本过程及理论 0.5学时 朱来攀
第2节 感知觉的生理机制及作用 0.5学时 朱来攀
第3节 传感器基本概念 0.5学时 朱来攀
第4节 机器人传感器及传感系统 0.5学时 朱来攀
第九章 半导体物理简介
第1节 半导体技术简介 1学时 朱来攀
第2节 半导体发展历史 1学时 朱来攀
第3节 半导体物理基本概念 1学时 朱来攀
第十章 半导体器件物理
第1节 半导体pn结 1学时 朱来攀
第2节 金属和半导体接触 1学时 朱来攀
第3节 半导体电子和光电子器件简介 1学时 朱来攀
第十一章 半导体传感材料概述
第1节 半导体材料的晶体结构与分类 1学时 朱来攀
第2节 元素半导体和化合物半导体 0.5学时 朱来攀
第3节 有机半导体和非晶半导体 0.5学时 朱来攀
第十二章 压电传感材料
第1节 压电效应 0.5学时 朱来攀
第2节 压电材料的分类及应用 0.8学时 朱来攀
第3节 压电半导体纳米材料的制备方法 0.8学时 朱来攀
第十三章 自驱动光电传感
第1节 光电传感工作原理 0.5学时 朱来攀
第2节 光电效应 0.5学时 朱来攀
第3节 热释电光电子学效应 0.5学时 朱来攀
第4节 光电传感器的应用方式 0.5学时 朱来攀
第十四章 压电电子学在自驱动传感中的应用
第1节 压电电子学在二极管和晶体管中的应用 0.5学时 朱来攀
第2节 压电电子学在生化传感中的应用 0.5学时 朱来攀
第3节 压电光电子学在光伏和光电探测中的应用 0.5学时 朱来攀
第4节 力致发光器件 0.5学时 朱来攀
第十五章 半导体纳米发电机与自驱动传感系统
第1节 半导体纳米线压电纳米发电机 0.5学时 朱来攀
第2节 有机无机复合压电纳米发电机 0.5学时 朱来攀
第3节 热释电纳米发电机 0.5学时 朱来攀
第4节 摩擦伏特纳米发电机 0.5学时 朱来攀
第十六章 课程结业考试
第1节 课堂开卷 2学时 朱来攀

1) 唐伟，研究员，博士生导师，于2008年和2013年取得北京大学学士和博士学位。近年来致力于纳米发电机与可穿戴电子的研究，取得了一系列重要的原创性成果，提出了数字化穿戴式运动传感的新原理，建立了介质材料起电序列的检测标准，发展了接触电致催化新机制。至今发表学术论文70余篇，以第一作者和通讯作者发表论文40余篇，包括Nature Communications(2篇)、Energy Environmental Science(1篇)、Advanced Materials(3篇)、Advanced Functional Materials(4篇)、ACS Nano(5篇)、Microsystem Nanoengineering(1篇)、Nano Energy(10篇)等，SCI引用超过9000 次，h 因子为50。申请专利40余项，已授权20余项。多次出席国际会议作邀请报告，担任程序委员会成员、分会主席等。主持国家自然科学基金，北京市科委重大项目——科学城创新专项，国家电网总部科技项目等。获评北京市科学技术二等奖、三等奖，硅酸盐学会青年科技奖提名奖，入选2021年Elsevier全球10万顶尖科学家，中国科学院青年创新促进会会员，兼任中国微米纳米技术学会高级会员，Micromachines客座编辑等。2）朱来攀，青年研究员，博士生导师，于2010年获山东大学理学学士学位，2015年获中科院半导体研究所工学博士学位。2015年7月加入中科院北京纳米能源所王中林院士团队，2018年1月被聘为副研究员，2023年1月被聘为青年研究员。主要从事半导体极化材料与功能器件、第三代半导体中的压电-电/光/磁多场耦合效应、以及纳米发电机与自驱动传感等方面研究。近年来在国际知名SCI期刊上发表学术论文70余篇，其中，以第一/通讯作者（含共同）在Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊发表论文40余篇（其中20余篇影响因子大于10），申请专利 6项，合作出版著作 1 章。研究工作多次在国内外学术媒体作为亮点报道。主持或参与国家自然科学基金重大项目、重点项目、面上/青年项目、中国博士后面上一等项目、北京高校 “实培计划”等。中国物理学会会员，受邀担任《Frontiers of Physics》、《工程科学学报》、《现代应用物理》等杂志青年编委，《Sensors》杂志客座编辑。