具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)、其制作方法及用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)、其制作方法及用途。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，人類一直致力于發(fā)展新型可靠的清潔能源，現(xiàn)在掌握的比較成熟的發(fā)電方式有風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、核能發(fā)電等。這些發(fā)電方式是在宏觀上的、大區(qū)域的供電，而在小尺度上利用能源發(fā)電的還非常少?；谛〕叨壬系募{米發(fā)電機(jī)，對于便攜式和可穿戴式的電子器件將會在未來具有較大的應(yīng)用前景。納米發(fā)電機(jī)可將周圍的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，使人們在行走中、工作中、休息中，都能隨時(shí)隨地的利用自身機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能使例如手機(jī)等便攜式的電子器件工作，并且無污染，這將會在人類活動(dòng)上具有很大的應(yīng)用前景。從2006年，首次研制出ZnO納米線陣列的納米發(fā)電機(jī)，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的新理念。隨后又研制出了直流、交流以及納米棒、納米管等不同結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)。他們利用氧化鋅半導(dǎo)體性質(zhì)和壓電性質(zhì)，在納米尺度內(nèi)將周圍環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其中可利用的機(jī)械能包括機(jī)械振動(dòng)、肌肉拉伸、血液流動(dòng)等能量。但是由于納米發(fā)電機(jī)的輸出性能較小，無法應(yīng)用于生活中，目前還不能真正實(shí)現(xiàn)器件的微型化的自供型驅(qū)動(dòng)能源。
[0003]中國專利申請CN201110253998.2公開了一種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)及其制造方法，該壓電式納米發(fā)電機(jī)包括η型ZnO納米棒陣列、P型低阻硅納米凹槽陣列、導(dǎo)電襯底、封裝層和引線。這種發(fā)電機(jī)可以收集周圍環(huán)境中的機(jī)械能，該申請專利采用的是η型ZnO納米棒與P型低阻硅納米凹槽兩者間形成ρ-η結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電流的單向?qū)?。但是該納米發(fā)電機(jī)的制作方案較為復(fù)雜，存在著輸出性能、發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性等問題，且該納米發(fā)電機(jī)的襯底選用氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(ITO)材料，該襯底材料柔韌性較差，無法應(yīng)用于可穿戴式的電子器件中，使納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用受限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)的納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和制作較為復(fù)雜、制作成本較高、穩(wěn)定性差以及應(yīng)用受限制的技術(shù)問題，提出一種在柔性襯底上由異質(zhì)結(jié)整流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的直流壓電納米發(fā)電機(jī)及其制造方法，本發(fā)明所制備的利用柔性襯底且具有n-ZnO/p-CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)將會在輸出性能方面做出較大提高，而以柔性材料作為襯底將使納米發(fā)電機(jī)具有良好的可彎折性，有利于應(yīng)用于可穿戴式的電子器件中，真正實(shí)現(xiàn)器件微型化的自供型驅(qū)動(dòng)能源。
[0005]本發(fā)明提供了一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)，包括:依次層疊設(shè)置的第一柔性襯底、第一電極、籽晶層、第一納米結(jié)構(gòu)、第二納米結(jié)構(gòu)、第二電極和第二柔性襯底；
[0006]所述第一納米結(jié)構(gòu)為η型的ZnO納米線陣列；
[0007]所述第二納米結(jié)構(gòu)為P型的CuO陣列、Cu2O陣列、N1陣列或Co3O4陣列；
[0008]所述第一納米結(jié)構(gòu)和第二納米結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)域形成ρ-η異質(zhì)結(jié)。
[0009]進(jìn)一步的，所述第一柔性襯底和第二柔性襯底包括印刷用紙、書寫紙、纖維制品或PET0
[0010]進(jìn)一步的，所述第一電極和第二電極的材料包括金屬、合金或?qū)щ姷姆墙饘俨牧?。[0011 ]進(jìn)一步的，所述籽晶層的材料為ΖηΟ。
[0012]對應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的制作方法，包括:
[0013]步驟I，在第一柔性襯底上制作第一電極，并在第二柔性襯底上制作第二電極；
[0014]步驟2，在第一電極上生長籽晶層；
[0015]步驟3，在籽晶層上生長第一納米結(jié)構(gòu)；
[0016]步驟4，在第一納米結(jié)構(gòu)上生長第二納米結(jié)構(gòu)；
[0017]步驟5，在第二納米結(jié)構(gòu)上覆蓋鍍有第二電極的第二柔性襯底，并使第二電極與第二納米結(jié)構(gòu)接觸。
[0018]進(jìn)一步的，采用低溫水溶液法在籽晶層上生長第一納米結(jié)構(gòu)，所述第一納米結(jié)構(gòu)為η型的ZnO納米線陣列。
[0019]進(jìn)一步的，采用低溫水溶液法在第一納米結(jié)構(gòu)上生長第二納米結(jié)構(gòu)，所述第二納米結(jié)構(gòu)為P型的CuO陣列、Cu2O陣列、N1陣列或Co3O4陣列。
[0020]對應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)作為可穿戴自供電設(shè)備的供電裝置的用途。
[0021]本發(fā)明提供的一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)、其制作方法及用途，制備柔性異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)的工藝簡單，成本低廉，并且可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生長。由于采用紙等柔性材料作為襯底，成本大大降低，同時(shí)制作的納米發(fā)電機(jī)具有良好的可彎折性，采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能有效的減少發(fā)電機(jī)內(nèi)部的載流子濃度，使其具有高輸出性能和穩(wěn)定性，這對于在實(shí)現(xiàn)個(gè)人微型化器件以及自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)在氧化鋅納米線上包覆一層氧化銅化合物，該包覆層包覆在氧化鋅納米線的頂端和周圍，在使用外力下壓納米發(fā)電機(jī)使納米線彎曲時(shí)起到了緩沖作用，并且加強(qiáng)了納米線與第一電極的接觸，從而提高了納米發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于ZnO材料具有環(huán)保、安全、無毒的特性，所以本發(fā)明第一納米結(jié)構(gòu)的材料選擇η型的ZnO，使本實(shí)施例的柔性納米發(fā)電機(jī)可以與人體皮膚接觸，應(yīng)用范圍更廣、應(yīng)用不受限制。
[0022]本發(fā)明制備的柔性納米發(fā)電機(jī)具有良好的可彎折性和高輸出性，在實(shí)現(xiàn)個(gè)人微型化器件和自驅(qū)動(dòng)電源方面具有很好的應(yīng)用前景，例如可應(yīng)用于穿戴式設(shè)備。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的制備方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0025]圖3a_d為本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的制備方法對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖4為ZnO納米線陣列的SEM圖像；
[0027]圖5為CuO納米結(jié)構(gòu)的SEM圖像；
[0028]圖6為n-ZnO/p-CuO納米結(jié)構(gòu)的XRD衍射譜；
[0029]圖7為本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的電流信號輸出示意圖。
[0030]圖中附圖標(biāo)記指代的技術(shù)特征:1、第一柔性襯底;2、第一電極;3、籽晶層;4、第一納米結(jié)構(gòu);5、第二納米結(jié)構(gòu);6、第二電極;7、第二柔性襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。
[0032]圖1為本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)包括:依次層疊設(shè)置的第一柔性襯底1、第一電極2、籽晶層3、第一納米結(jié)構(gòu)4、第二納米結(jié)構(gòu)5、第二電極6和第二柔性襯底7;所述第一納米結(jié)構(gòu)4和第二納米結(jié)構(gòu)5的接觸區(qū)域形成ρ-η異質(zhì)結(jié);所述第一納米結(jié)構(gòu)4為η型的ZnO納米線陣列，垂直生長在籽晶層上。所述第二納米結(jié)構(gòu)5為P型的CuO陣列、Cu2O陣列、MO陣列或Co3O4陣列等。在本實(shí)施例中第二納米結(jié)構(gòu)為P型的CuO陣列，該陣列生長在η型的氧化鋅陣列上，與其形成嵌套結(jié)構(gòu)；相互嵌套的氧化鋅和氧化銅在接觸的地方形成Ρ-η異質(zhì)結(jié)，形成耗盡區(qū)，因此在ρ-η異質(zhì)結(jié)內(nèi)可形成內(nèi)電場，能有效的減少自由電子與空穴的復(fù)合，增加載流子濃度，提高輸出性能。由于ZnO材料具有環(huán)保、安全、無毒的特性，所以本發(fā)明第一納米結(jié)構(gòu)的材料選擇η型的ΖηΟ，使本實(shí)施例的柔性納米發(fā)電機(jī)可以與人體皮膚接觸，應(yīng)用范圍更廣、應(yīng)用不受限制。另外，所述籽晶層的材料為ΖηΟ，在第一電極2和第二電極6加上引線，可作為納米發(fā)電機(jī)的電流、電壓輸出端。
[0033]在上述方案中，所述第一柔性襯底I和第二柔性襯底7可以為印刷用紙、書寫紙、纖維制品或PET (polyethylene terephthalate，聚對苯二甲酸乙二酯)。本發(fā)明的襯底為柔性，且可從低成本的柔性材料中選擇，能夠使本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)具有良好的可彎折性和高輸出性，同時(shí)大大降低制作成本。所述第一電極2和第二電極6的材料包括金屬、合金或?qū)щ姷姆墙饘俨牧?，選自金、銀、鈾、招、鎳、銅及其合金中的一種。
[0034]本發(fā)明的具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的工作原理:氧化鋅和氧化銅接觸的地方形成n-ZnO/p-CuO的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生耗盡區(qū)，能夠有效的減少自由載流子的復(fù)合，增加載流子的濃度。在外界施加壓力時(shí)，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的壓電納米發(fā)電機(jī)中的氧化鋅納米線陣列與氧化銅陣列能夠產(chǎn)生相對位移，并且使氧化鋅納米線陣列受力彎曲產(chǎn)生壓電電荷，形成壓電電勢，在壓電電勢的驅(qū)動(dòng)下，電子會產(chǎn)生流動(dòng)；當(dāng)釋放壓力時(shí)，產(chǎn)生的壓電電勢消失，累積的壓電電荷在外電路流動(dòng)，形成電流，使其由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能對外輸出。
[0035]圖2是本發(fā)明具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的柔性納米發(fā)電機(jī)的制備方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的方法包括:
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