壓電性質納米線發(fā)電機

基于ZnO納米線壓電性質的發(fā)電機納米材料期中考試論文摘要：基于納米結構的ZnO壓電納米發(fā)電機（NGs）,由于其特殊的壓電效應和小尺寸效應，可以收集環(huán)境中的能量（比如聲能，振動能）并將其轉化為電流。我們可以利用這種壓電電流，給諸多微電子器件供能。這種供能方式無疑將會給未來的無線電子器件的發(fā)展帶來極大的動力。佐治亞理工大學的王中林研究組在這方面做出了開拓性的貢獻。該研究組開發(fā)了兩種ZnO納米發(fā)電機，一種是通過超聲波驅動并產生直流電的發(fā)電機，雖然這種發(fā)電機以一種全新的方式引出了壓電電流，但這種發(fā)電機的穩(wěn)定性以及發(fā)電效率都比較低，在實際的應用和制造過程中不太理想。后來該研究組改進了發(fā)電機的發(fā)電方式，利用嵌于軟物質里面的ZnO納米線的往復彎曲來產生電流，這種發(fā)電方式的穩(wěn)定性和發(fā)電效率都有很大的提高，但是實際的應用前景不太大。兩種發(fā)電機的基本原理是相似的，主要包括兩方面：第一，外力驅動產生壓電電流；第二，利用MS結的整流性質將產生的微電流整合，產生可觀測的現(xiàn)象。本文將結合王中林的研究對這兩種發(fā)電機的工作原理做相關的論述，并對納米壓電材料的應用提出自己的一些想法。一.壓電效應簡介當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。如果按一定方向對水晶晶體上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會產生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會出現(xiàn)電荷，不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會作周期性的伸長或縮短，即開始振動。拉神外力 崩ft外力n）正莊電敏甌——外力使而體產生也荷00未旅加電場時外加柩場（h）逆壓電蚊向一拉神外力 崩ft外力n）正莊電敏甌——外力使而體產生也荷00未旅加電場時外加柩場（h）逆壓電蚊向一卜如也場健dh體產電形變外加反向電場在納米尺度范圍內的ZnO線晶體，在（001）或（001）萬向具有明顯的壓電性質。圖為制備的納米線ZnO晶體陣列。為制備的納米線ZnO晶體陣列。對MS結加正向偏壓時，MS結界面處的勢壘會降低，而肖特基勢壘不變，這將導致半導體的電子容易流向金屬，形成正向電流，并且隨偏壓的增大呈指數(shù)級的增長。但對MS結加反向的偏壓是，MS結界面處的勢壘會增大，同樣肖特基勢壘不變，被提高的勢壘阻擋電子有半導體流向金屬，形成很小的反向電流，幾乎可以忽略。唯象的說，就是，對MS結加正向偏壓，形成可觀的正向電流；對MS結加反向偏壓，不形成電流一一這就是MS結的整流性質。晶體的壓電效應早在1880年就被人所發(fā)現(xiàn)，上個世紀80年代，納米材料就開始蓬勃的發(fā)展，基于納米材料壓電效應的發(fā)電機的構想很早就有報道，但是由于無法實現(xiàn)電流的同一性和整合，使得這一構想難以實現(xiàn)。王中林研究組的高明之處，就是在微觀材料的領域應用了MS結的整流性質，將單個納米線晶體形成的微電流整合成了一個可被觀測到的電流。當然，這與現(xiàn)代逐漸成熟的納米加工技術的應用時密切相關的。下面將結合該研究組的具體操控方式，做一個概要的論述。利用超聲波驅動的ZnO納米線發(fā)電機[2]在GaN基片上覆蓋一層ZnO薄膜，該薄膜作為外圍電路的一個電極。在此基礎上，利用特殊的制備方法（在此不再詳述）生長ZnO納米線晶體陣列。在該納米線陣列上方蓋一個下端面呈鋸齒狀的Si片“帽子”作為電極，其中在有鋸齒狀的一面涂上Pt薄層。具體的圖示在圖四中有直觀的表示。由于該發(fā)電機是在溶液的環(huán)境下操作的，所以在已有的基礎上需要用聚合物材料對發(fā)電機進行包被，防止溶液的滲漏。韓國SangWooKim研究組利用溶液合成法，并在高溫迅速降溫法制備的ZnO納米線具有較好的均一性（圖二b）[4]。下面將看到，均一性良好的納米線（特備是高度的均一性）

將會對發(fā)電機的效率產生極大的影響。另外，所涂的Pt薄層不僅起到了電極的作用，而且形成了MS結，它的整流性質是發(fā)電機的關鍵。啟動超聲波源，將引起上下兩片電極的相對移動。在此過程中，納米線或是被垂直的壓縮，或是被側向的壓彎，納米線的這些形變都將形成壓電電勢。利用MS結（即Pt-ZnO）的整流性質，電路回路中將產生一定的可觀電流。圖四發(fā)電機模型圖五透射電鏡下的納米發(fā)電機的斷面圖當基片在超聲波的驅動下上下震動時，會引起ZnO納米線晶體的彎曲形變，在被壓的一側產生負電勢，在被拉伸的一側產生正電勢。由于MS結的整流作用，只有負電勢的那一側被導通，產生由上至下的電流（圖六左）。當超聲波的波源停止工作時，壓電電流和電勢也就停止（圖六右）Si電極下端面做成鋸齒狀這一點很關鍵。由于在基片上生長的納米線晶體很難保證有同一長度，把下端面做成鋸齒狀可以較好的兼顧長短不一的晶體來發(fā)電。嵌于軟物質里面的ZnO納米線的往復彎曲來產生電流[3]將ZnO納米線晶體嵌于聚酰亞胺薄膜里面，根據(jù)ZnO特定的生長面的壓電性質，在左端鏈接銀質的金屬形成MS結，在右端鏈接歐姆接觸（圖七）。那么，這樣的結構在快速往復的彎曲-還原后會產生電流。由于右端的歐姆接觸不具有整流性質，所以形成圖八所示電壓的根源就是左端的MS結。MS結的整流原理已經在文章的開頭已作介紹。ZnO納米線晶體快速彎曲時產生一個脈沖電壓，快速還原時又產生一個反向的脈沖電壓。經過左端MS結的整流之后，形成于電壓信號對應的電流信號（圖八）。

將多個相同的結構彼此頭尾串聯(lián)在一起，形成更長的納米線，形成的電壓是單根納米線所形成電壓的簡單疊加（這里考慮的是少量的串聯(lián)，若是大量納米線串聯(lián)，這需要用材料力學的理論對各根納米線的彎曲程度進行具體的分析，因此形成的電壓不會是簡單的疊加關系）。再將多根串聯(lián)在一起的長納米線并聯(lián)在一起形成陣列，在外力的驅動下，納米線同時進行往復的彎曲，將會形成可觀的電流。0 50 100 150 200Time(s)圖六321O-1-2直o>05050500 50 100 150 200Time(s)圖六321O-1-2直o>0505050211一T<drc:aj」nu-200 2 4 & 8 10 12Time(5)4 6 8 10 12 14Time(s)圖八相比于用超聲波驅動的納米發(fā)電機的機構，這種發(fā)電機的納米線使用率有很大的提高。原因很直觀。超聲波驅動的納米發(fā)電機的機構（圖四），對于那些長度很小的納米線，根本不會參與到發(fā)電的過程中。而且，第二種發(fā)電機由于受同一外力的作用，且多根納米線嵌在同一基底上，各個納米線以相同的頻率和速度彎曲-還原，形成的壓電勢有很好的穩(wěn)定性，這在圖八中有很好的反應?？偨Y事實上，早在06年，王中林研究組就已經報道過基于納米線壓電性質的研究［1］。在這篇文章中，該研究組用原子力顯微鏡（AFM）的探針臂（在臂端涂有Pt）觸碰生長在基片上的ZnO納米線陣列，發(fā)現(xiàn)有一定方向的電流通過。這項機構顯然算不上發(fā)電機，因為一個探針臂所導通的電流太小。但是，很顯然，該項研究為以上兩種發(fā)電機的制造提供了實驗和理論依據(jù)。無論是用AFM探針臂觸碰納米線產生電流，還是用超聲波驅動的納米發(fā)電機，或是用外力致彎曲的方法的納米發(fā)電機，它們的核心的理論依據(jù)是相同的：第一，ZnO納米線晶體在受壓情況下將產生壓電勢，與導體接觸將產生壓電電流；第二，利用金屬涂層與ZnO形成MS結，利用MS結的整流性質對壓電電流進行整合。納米發(fā)電機的研究無疑將會對以后的科技發(fā)展和日常生活產生重要的意義。噪聲在現(xiàn)代生活中是無處不在的，雖然噪聲的能量還比不上超聲波，但是通過技術的不斷改進，相信有一天可以通過吸收環(huán)境中聲波，一方面達到降噪的效果，一方面能夠發(fā)電以分擔能源壓力。除此之外，在微電子器件，傳感器，分析儀器等方面，納米發(fā)電機也將具有很大的應用前景。六?自己的一些看法上面的內容介紹了王中林課題組的幾種發(fā)電機的模型和工作原理，仔細比較會發(fā)現(xiàn)，納米發(fā)電機實際上整合了以下幾類知識：第一，晶體的壓電性質。除了上面所述的正向壓電性質外，實際上它的反向壓電性質也很重要。比如，給具有壓電性質的晶體一個高頻的交變電場，晶體會發(fā)出超聲波。也就是說，壓電晶體實際上就是一個換能器，可以實現(xiàn)振動能和電能的轉換。第二，納米材料的小尺寸效應。納米材料的電子相對來說具有更高的自由度，于是壓電納米材料在一個較小的壓力下能夠產生相對明顯的壓電勢。就超聲波納米發(fā)電機來說，如果不是用納米材料，超聲波引起的電極上下振動幾乎不會引起晶體的壓電勢。因此，真正意義上的超聲波-電場和電場-超聲波的轉換只有在納米尺度才會有明確的實現(xiàn)。不止于此，納米材料的小尺寸效應引起的特殊的電子輸運性質，在其他方面，特別是半導體器件方面，有其獨特的用處。第三，半導體器件獨特的電學性質。文章前部分簡述了金屬-半導體的整流性質在納米發(fā)電機中的關鍵作用。除此之外，PN結，NPN或PNP結，MS結，場效應晶體管，它們有的具有整流性質，有的具有放大作用，有的具有電流的調控作用。把它們應用到納米領域，由于納米材料的小尺寸效應，它們將會十分新奇的現(xiàn)象。最近研究的比較熱門的一個領域是納米生物傳感器，其基本原理就是納米量級的場效應晶體管，利用FET的對柵極電勢的敏感性［5］，可對許多生物大分子的運動，理化性質的變化進行精確并實時的觀測［6］。這種傳感器實際上是對上述第二第三兩個知識的整合。另外，其實在晶體的性質這一方面，很顯然不僅僅只有壓電性質。晶體還有包括熱電，光電等許多奇妙的電學特性。在這方面，光電發(fā)電機就是太陽能電池，熱電發(fā)電機也已經有許多報道。晶體的電學性質除了表現(xiàn)在能量轉換方面外，還可以表現(xiàn)在信息傳感方面。壓電傳感器，熱電傳感器，光電傳感器已經是生活中隨處可見的。在宏觀大尺度的領域，晶體的電學性質與半導體器件電學性質的結合，已經做出了許多有意義的成果。那么，延伸到納米尺度，結合納米材料的小尺寸效應，又將會是十分有前景的領域。事實上，這就像是一個簡單的加法：壓電性質+納米尺度+MS結整流=納米發(fā)電機；納米尺度+FET=生物傳感器；光電性質+納米尺度+PN結=納米太陽能電池。這樣的加法還可以列出許多個，比如說，熱電性質+納米尺度+FET=？，壓電性質+納米尺度+PN結=？等等。雖然這些加法列出來之后，暫時不知道這些器件能否制造出來，但是我們可以從理論上對這些加法所得到的器件的性質和用途做一個期望。如果理論上，可以得到一個具有新奇性質的器件，再去從實驗上將其做出來也不遲。比如說，熱電性質+納米尺度+FET=？這個加法，我們知道納米粒子的熱容需要用介觀的理論去處理，它的熱電性質與塊體的熱電性質也有很大的不同。溫度的變化引起晶體電勢的變化，若將該晶體至于FET的柵極，則可以調控溝道電流的大小。那么我們可以設想做一個溫度傳感器，由于它的大小處于納米量級，可以制成薄膜，帖附與壁爐的內壁，即可對壁爐的溫度進行實時的，立體的監(jiān)測和調控。參考文獻：ZhongLinWang*andJinhuiSong，14APRIL2006VOL312SCIENCE；ZhongLinWang*,XudongWang,JinhuiSong,JinLiu，6APRIL2007VOL316SCIENCE；ZhongLinWang1*，RusenYang1,YongQin1,LimingDai2,JANUA