一種納米壓電微能源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米壓電微能源系統(tǒng)，從上至下依次包括上基板、上電極、電介質(zhì)層、下電極、壓電納米材料、下基板；上基板、上電極、電介質(zhì)層和下電極組成介電電容；壓電納米材料位于下基板與介電電容之間；來自于外部的力(產(chǎn)生于所收集的耗散機(jī)械能)被傳遞到壓電納米材料促使材料產(chǎn)生形變，在正壓電效應(yīng)的作用下，從而產(chǎn)生電能。該納米壓電微能源系統(tǒng)不僅能夠降低漏電流，提高納米發(fā)電機(jī)的效率，還可以存儲納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能，在需要的時候再對外連續(xù)穩(wěn)定輸出給用電器或能量密度更高的外部存儲設(shè)備。本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)通過新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效的發(fā)電、轉(zhuǎn)換、存儲、輸出為一體。
【專利說明】
一種納米壓電微能源系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于納米發(fā)電、儲能和電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米壓電微能源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜、可穿戴設(shè)備的逐漸普及，電子產(chǎn)品的尺度和功耗的逐漸降低，極大地豐富和方便了人們的工作和生活。但這些器件的能量供給依然采用傳統(tǒng)的化學(xué)電池作為主要的能量供應(yīng)裝置，盡管化學(xué)電池制備簡單，使用方便，但是其供能持久性差，尺寸過大，且對環(huán)境有污染，不能滿足微納米尺度的電子器件的工作環(huán)境和供能要求，因而開發(fā)新的發(fā)電效率高、壽命長，微納尺度的自發(fā)電能源系統(tǒng)是解決該類電子器件能源問題的關(guān)鍵。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中有文獻(xiàn)首次報(bào)道了基于氧化鋅的納米壓電微能源系統(tǒng)(Z.L.Wang，Science,2006,312, P242.文中稱現(xiàn)有技術(shù)一)，該文在導(dǎo)電基板上利用高溫氣相沉積方法(CVD)制備出了垂直陣列的氧化鋅納米棒，然后利用鍍鉑的硅探針去撥動單根氧化鋅納米棒使其產(chǎn)生形變，由于正壓電效應(yīng)，在探針和基板之間測得了電壓和電流，從而獲得了基于氧化鋅的納米壓電發(fā)電機(jī)，如圖1所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)僅使用探針撥動單根納米線，雖然能產(chǎn)生電能，但是產(chǎn)生的電壓和電流過小，成本昂貴，不具有實(shí)用價(jià)值。
[0004]另有文獻(xiàn)(X.D.Wang,Science ,2007，316，P1Q2.文中稱現(xiàn)有技術(shù)二)報(bào)道利用高溫CVD法制備的垂直生長的氧化鋅作為壓電材料，表面鍍有金屬鉑的鋸齒形硅片作為上電極，導(dǎo)電基板作為下電極，制備出納米發(fā)電機(jī)，該種結(jié)構(gòu)是利用上極板上的鋸齒形結(jié)構(gòu)刮蹭氧化鋅納米棒，然后由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而經(jīng)由上下電極對外輸出，如圖2所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)僅僅考慮了納米發(fā)電機(jī)發(fā)電的過程，電能只能直接對外輸出，而且由于該種納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)局限性(漏電流巨大)，輸出電壓和電流都太小，效率很低，同時由于工作原理所限，只能輸出脈沖式的電流，不具有實(shí)用價(jià)值。
[0005]還有報(bào)道(G.Zhu，Nano Le tter s，2010，1，P3151.文中稱現(xiàn)有技術(shù)三)將高溫CVD法制備的氧化鋅納米棒轉(zhuǎn)移平鋪在柔性基板上，該柔性基板上事先通過微納加工技術(shù)制備了多個平行排列的金電極條，在各個金電極之間連接了多個氧化鋅納米棒，然后反復(fù)彎曲該柔性基板以使氧化鋅納米棒發(fā)生形變，由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓，如圖3所示。相較于前兩個報(bào)道，該發(fā)明并無本質(zhì)的提高，電能只能直接對外輸出，漏電流巨大，輸出功率太小，效率很低，只能輸出脈沖式的電流，無實(shí)用價(jià)值。另外，該種技術(shù)采用柔性基底，依靠反復(fù)彎曲來產(chǎn)生電能，器件的使用壽命很短。
[0006]進(jìn)一步開發(fā)能夠具備使用價(jià)值的納米壓電微能源系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種納米壓電微能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠降低漏電流，提高發(fā)電效率，還能存儲發(fā)電所產(chǎn)生的電能，在需要時再對外連續(xù)穩(wěn)定輸出給用電器或能量密度更高的外部存儲設(shè)備。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
[0009]1、納米壓電微能源系統(tǒng)，從上至下依次包括上基板、上電極、電介質(zhì)層、下電極、壓電納米材料、下基板;上基板、上電極、電介質(zhì)層和下電極組成介電電容;壓電納米材料位于下基板與介電電容之間;所述系統(tǒng)具有正壓電效應(yīng)。
[0010]優(yōu)選的，所述上電極鍍在上基板上，所述電介質(zhì)層涂覆于上電極上，所述下電極鍍在電介質(zhì)層上。
[0011 ]優(yōu)選的，所述上下基板為硅，玻璃，氮化鎵，石英玻璃，藍(lán)寶石玻璃，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亞胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯。
[0012]優(yōu)選的，所述壓電納米材料為氧化鋅納米線、鋯鈦酸鉛、鈮酸鉀鈉或聚偏氟乙烯。
[0013]優(yōu)選的，所述上下電極為金屬、導(dǎo)電晶體或?qū)щ姼叻肿硬牧稀?br>[0014]優(yōu)選的，所述電介質(zhì)層材料為鈦酸鋇、滌綸、苯乙烯或聚偏氟乙烯。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明針對現(xiàn)有納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)局限性導(dǎo)致的漏電流巨大，發(fā)電效率低，只能脈沖式輸出，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、高效輸出的問題，設(shè)計(jì)并提出了新的納米壓電微能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該納米壓電微能源系統(tǒng)不僅能夠降低漏電流，提高納米發(fā)電機(jī)的效率，還可以存儲納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能，在需要的時候再對外連續(xù)穩(wěn)定輸出給用電器或能量密度更好的存儲設(shè)備。本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)通過新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效的發(fā)電、轉(zhuǎn)換、存儲、輸出為一體。
【附圖說明】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0017]圖1現(xiàn)有技術(shù)一的納米壓電發(fā)電機(jī)。
[0018]圖2現(xiàn)有技術(shù)二的納米壓電發(fā)電機(jī)。
[0019]圖3現(xiàn)有技術(shù)三的納米壓電發(fā)電機(jī)。
[0020]圖4本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5本發(fā)明氧化鋅納米棒的納米壓電微能源系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)二所述納米壓電發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流數(shù)據(jù)比較。
[0022 ]圖6本發(fā)明氧化鋅納米棒原型納米壓電微能源系統(tǒng)點(diǎn)亮LED燈。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0024]本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)，從上至下依次包括上基板、上電極、電介質(zhì)層、下電極、壓電納米材料、下基板;上基板、上電極、電介質(zhì)層和下電極組成介電電容;壓電納米材料位于下基板與介電電容之間；來自于外部的力(產(chǎn)生于所收集的耗散機(jī)械能)被傳遞到壓電納米材料促使材料產(chǎn)生形變，在正壓電效應(yīng)的作用下，從而產(chǎn)生電能。優(yōu)選的，所述上電極鍍在上基板上，所述電介質(zhì)層涂覆于上電極上，所述下電極鍍在電介質(zhì)層上。
[0025]本發(fā)明所述上下基板的材料可根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇，如可以為:硅，玻璃，氮化鎵，石英玻璃，藍(lán)寶石玻璃，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亞胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯等。
[0026]本發(fā)明所述壓電納米材料為本領(lǐng)域常規(guī)壓電納米材料，具體材料根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇，優(yōu)選為具有高機(jī)電耦合系數(shù)的壓電納米材料，如鋯鈦酸鉛類材料，鈮酸鉀鈉類材料，聚偏氟乙烯類材料等。
[0027]本發(fā)明所述上下電極為本領(lǐng)域常規(guī)使用的電極材料，比如金屬、導(dǎo)電晶體、導(dǎo)電高分子材料等，具體可以為金、銅、氧化銘、石墨稀、聚噻吩等。
[0028]本發(fā)明所述電介質(zhì)層為本領(lǐng)域常規(guī)使用的電介質(zhì)層材料，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行材料選擇，優(yōu)選為高性能介電材料，如鈦酸鋇，滌纟侖，苯乙稀，聚偏氟乙稀等。
[0029]本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)的工作原理是:當(dāng)給予納米發(fā)電系統(tǒng)壓力時，壓電納米材料發(fā)生形變，由于壓電效應(yīng)，壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生電勢差，所產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)到介電電容中存儲，從而減少了漏電流，提高了輸出功率，而現(xiàn)有技術(shù)會存在部分載流子在壓電納米材料內(nèi)部被俘獲，造成巨大的漏電流，導(dǎo)致輸出功率降低。
[0030]以氧化鋅納米棒作為壓電納米材料為例，納米壓電微能源系統(tǒng)制備方法為:
[0031]首先，在硅片上基板上先鍍一層金電極，再涂覆一層聚偏氟乙烯電介質(zhì)層，再鍍上一層金電極，制備出介電電容；同時，在氮化娃下基板上制備出垂直生長的氧化鋅納米線；將介電電容與氧化鋅納米棒通過外力相互擠壓，使得氧化鋅納米棒產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電會K。
[0032]對納米壓電微能源系統(tǒng)施以壓力，氧化鋅納米棒產(chǎn)生形變，其尾部和尖端產(chǎn)生電勢差，所產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)到介電電容中儲存，減少了漏電流，提高了輸出功率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)局限性導(dǎo)致的漏電流巨大，發(fā)電功率低，只能脈沖式輸出，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定高效輸出的問題。
[0033]如圖4所示為本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為本發(fā)明氧化鋅納米棒的納米壓電微能源系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)二所述納米壓電發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流數(shù)據(jù)比較，由圖可知，本發(fā)明所述納米壓電微能源系統(tǒng)相較于現(xiàn)有技術(shù)二，輸出電壓和電流均有十倍以上的提升，進(jìn)而使得輸出功率提升了百倍以上。同時，本發(fā)明所述的納米壓電微能源系統(tǒng)能夠成功點(diǎn)亮LED燈，如圖6所示。
[0034]需要說明的是，壓電納米材料既可以是平鋪在下基板上，也可以是垂直于下基板，還可以是成膜狀置于下基板上，所帶來的僅是輸出功率的差異，對于原型機(jī)中示范所用氧化鋅納米棒來說，氧化鋅納米線垂直于下基板時輸出功率最高。
[0035]本發(fā)明制備氧化鋅納米線的方法為本領(lǐng)域常規(guī)的操作方法。
[0036]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，從上至下依次包括上基板、上電極、電介質(zhì)層、下電極、壓電納米材料、下基板;上基板、上電極、電介質(zhì)層和下電極組成介電電容;壓電納米材料位于下基板與介電電容之間;所述系統(tǒng)具有正壓電效應(yīng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，所述上電極鍍在上基板上，所述電介質(zhì)層涂覆于上電極上，所述下電極鍍在電介質(zhì)層上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，所述上下基板為硅，玻璃，氮化鎵，石英玻璃，藍(lán)寶石玻璃，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亞胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電納米材料為氧化鋅納米線、鋯鈦酸鉛、鈮酸鉀鈉或聚偏氟乙烯。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，所述上下電極為金屬、導(dǎo)電晶體或?qū)щ姼叻肿硬牧稀?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米壓電微能源系統(tǒng)，其特征在于，所述電介質(zhì)層材料為鈦酸鋇、滌纟侖、苯乙稀或聚偏氟乙稀。
【文檔編號】H01L41/113GK105870318SQ201610278566
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】劉雙翼, 李昕, 陸文強(qiáng), 馮雙龍, 李振湖, 王亮
【申請人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院