壓電式納米發(fā)電機(jī)

壓電式納米發(fā)電機(jī)第一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二1.定義2.組成及原理3.功能及應(yīng)用4.發(fā)展過程及前景展望第二頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二1、正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。一、定義第三頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二壓電效應(yīng)原理圖第四頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二2、壓電式納米發(fā)電機(jī)：利用特殊納米材料（如ZnO

）的壓電效應(yīng)，在受到外界拉伸或壓縮作用時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能為納米器件供電的裝置。

第五頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二二、組成和原理1、組成

從上到下依次由驅(qū)動(dòng)電極（肖特基勢壘）、ZnO納米線、固定基底組成。

肖特基勢壘：金屬-半導(dǎo)體邊界上形成的具有整流作用的區(qū)域。

ZnO納米線：氧化鋅納米線容易被彎曲，從而在納米線內(nèi)部外部分別造成壓縮和拉伸。豎直生長的氧化鋅是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)。

第六頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二2、原理

在直立式發(fā)電機(jī)中，氧化鋅納米線一端固定，并與一個(gè)固定電極相連。而當(dāng)氧化鋅線自由端在驅(qū)動(dòng)電極的作用下受力變形時(shí)，納米線一側(cè)受壓縮而另一側(cè)被拉伸。由于氧化鋅同時(shí)具有半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，這就使得納米線拉伸和壓縮的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面分別產(chǎn)生正、負(fù)壓電電勢，借助半導(dǎo)體性質(zhì)的氧化鋅納米線和其金屬尖部的肖特基勢壘將電能暫時(shí)儲(chǔ)存在氧化鋅納米線內(nèi)，并可用導(dǎo)電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，通過肖特基勢壘整流后，向外界輸電。肖特基勢壘：具有整流作用固定電極ZnO納米線

第七頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二三、性能及應(yīng)用1、性能：

a.功率：單根氧化鋅納米線的放電能為0.05FJ，如果選擇氧化鋅密為20/μm，則功率為10pW/μm。

b.功能：能夠收集任何微弱形式的機(jī)械能，比如人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮、血液流動(dòng)等所產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。2、應(yīng)用：由于納米發(fā)電機(jī)是最近幾年才研制出來的高科技產(chǎn)物，目前還未應(yīng)用于生產(chǎn)，主要應(yīng)用在一些概念性的科技產(chǎn)品上。第八頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二由納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的心臟起勃器在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠發(fā)電的衣服、鞋子第九頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二

與普通壓電材料發(fā)電機(jī)的比較：

常規(guī)的壓電材料（如PZT）的缺點(diǎn)：

1、化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)小尺寸與大功率的有機(jī)結(jié)合。

2、通常為絕緣體，盡管彎曲時(shí)也能產(chǎn)生電勢變化，但是由于它們無法與金屬形成具有單向?qū)щ娦再|(zhì)的肖特基勢壘，因而本身無法實(shí)現(xiàn)電荷積累到釋放這一轉(zhuǎn)變過程。

3、需要一個(gè)復(fù)雜的外接電路來實(shí)現(xiàn)電荷的積累，很難達(dá)到器件真正的微型化。

納米壓電材料（ZnO）優(yōu)點(diǎn)：

1、新型半導(dǎo)體壓電材料，具有比較簡單的化學(xué)成分與晶體結(jié)構(gòu)，容易控制其純度、尺寸、形貌。

2、極大的縱橫比，使納米線在很小的作用力下彎曲而產(chǎn)生電勢差。

這兩點(diǎn)為大功率的納米發(fā)電機(jī)的開發(fā)提供物質(zhì)與理論基礎(chǔ)。

第十頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二四、現(xiàn)狀及前景展望

1、發(fā)展過程：目前有許多研究人員致力于納米發(fā)電機(jī)的研究，主要以美國佐治亞理工學(xué)院教授、中國國家納米科學(xué)中心海外主任王中林和他的研究小組為主。他們小組分別于

2005年開始研究如何用納米結(jié)構(gòu)來把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。2006年發(fā)明了世界上最小的發(fā)電裝置——直立式納米發(fā)電機(jī)。

2007年成功研發(fā)出由超聲波驅(qū)動(dòng)的可獨(dú)立工作的直流納米發(fā)電機(jī)。在納米材料領(lǐng)域具有里程碑的作用。

2008年研發(fā)出可以利用衣料來實(shí)現(xiàn)發(fā)電的“發(fā)電衣”的原型發(fā)電機(jī)，即纖維納米發(fā)電機(jī)。真正實(shí)現(xiàn)了“只要能動(dòng)，就能發(fā)電”。

2010發(fā)明了封裝型交流納米發(fā)電機(jī)，有效克服了直立式發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷。

第十一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期二

2、現(xiàn)狀及前景：

目前，單個(gè)的納米發(fā)電機(jī)雖然研發(fā)出來了，但其功率有限。未來真正投入使用的話，必須要有大量的納米發(fā)電機(jī)共同工作，組成一個(gè)“發(fā)電機(jī)組”。讓多個(gè)納米發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電。

專家預(yù)測，納米發(fā)電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無線通信和無線傳感等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。這項(xiàng)發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)；可以收集機(jī)械能、震動(dòng)能、流體能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件；納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能足夠讓納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自供。