壓電性質(zhì)納米線發(fā)電機(jī)

基于ZnO納米線壓電性質(zhì)的發(fā)電機(jī)納米材料期中考試論文摘要：基于納米結(jié)構(gòu)的ZnO壓電納米發(fā)電機(jī)（NGs）,由于其特殊的壓電效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，可以收集環(huán)境中的能量（比如聲能，振動(dòng)能）并將其轉(zhuǎn)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(huì)給未來的無線電子器件的發(fā)展帶來極大的動(dòng)力。佐治亞理工大學(xué)的王中林研究組在這方面做出了開拓性的貢獻(xiàn)。該研究組開發(fā)了兩種ZnO納米發(fā)電機(jī)，一種是通過超聲波驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生直流電的發(fā)電機(jī)，雖然這種發(fā)電機(jī)以一種全新的方式引出了壓電電流，但這種發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性以及發(fā)電效率都比較低，在實(shí)際的應(yīng)用和制造過程中不太理想。后來該研究組改進(jìn)了發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式，利用嵌于軟物質(zhì)里面的ZnO納米線的往復(fù)彎曲來產(chǎn)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(shí)際的應(yīng)用前景不太大。兩種發(fā)電機(jī)的基本原理是相似的，主要包括兩方面：第一，外力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生壓電電流；第二，利用MS結(jié)的整流性質(zhì)將產(chǎn)生的微電流整合，產(chǎn)生可觀測(cè)的現(xiàn)象。本文將結(jié)合王中林的研究對(duì)這兩種發(fā)電機(jī)的工作原理做相關(guān)的論述，并對(duì)納米壓電材料的應(yīng)用提出自己的一些想法。一.壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。如果按一定方向?qū)λЬw上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會(huì)產(chǎn)生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會(huì)出現(xiàn)電荷，不過符號(hào)相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會(huì)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(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，即開始振動(dòng)。拉神外力 崩ft外力n）正莊電敏甌——外力使而體產(chǎn)生也荷00未旅加電場(chǎng)時(shí)外加柩場(chǎng)（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(chǎn)生也荷00未旅加電場(chǎng)時(shí)外加柩場(chǎng)（h）逆壓電蚊向一卜如也場(chǎng)健dh體產(chǎn)電形變外加反向電場(chǎng)在納米尺度范圍內(nèi)的ZnO線晶體，在（001）或（001）萬向具有明顯的壓電性質(zhì)。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(duì)MS結(jié)加正向偏壓時(shí)，MS結(jié)界面處的勢(shì)壘會(huì)降低，而肖特基勢(shì)壘不變，這將導(dǎo)致半導(dǎo)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(jí)的增長(zhǎng)。但對(duì)MS結(jié)加反向的偏壓是，MS結(jié)界面處的勢(shì)壘會(huì)增大，同樣肖特基勢(shì)壘不變，被提高的勢(shì)壘阻擋電子有半導(dǎo)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(duì)MS結(jié)加正向偏壓，形成可觀的正向電流；對(duì)MS結(jié)加反向偏壓，不形成電流一一這就是MS結(jié)的整流性質(zhì)。晶體的壓電效應(yīng)早在1880年就被人所發(fā)現(xiàn)，上個(gè)世紀(jì)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(yīng)的發(fā)電機(jī)的構(gòu)想很早就有報(bào)道，但是由于無法實(shí)現(xiàn)電流的同一性和整合，使得這一構(gòu)想難以實(shí)現(xiàn)。王中林研究組的高明之處，就是在微觀材料的領(lǐng)域應(yīng)用了MS結(jié)的整流性質(zhì)，將單個(gè)納米線晶體形成的微電流整合成了一個(gè)可被觀測(cè)到的電流。當(dāng)然，這與現(xiàn)代逐漸成熟的納米加工技術(shù)的應(yīng)用時(shí)密切相關(guān)的。下面將結(jié)合該研究組的具體操控方式，做一個(gè)概要的論述。利用超聲波驅(qū)動(dòng)的ZnO納米線發(fā)電機(jī)[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(gè)電極。在此基礎(chǔ)上，利用特殊的制備方法（在此不再詳述）生長(zhǎng)ZnO納米線晶體陣列。在該納米線陣列上方蓋一個(gè)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(jī)是在溶液的環(huán)境下操作的，所以在已有的基礎(chǔ)上需要用聚合物材料對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行包被，防止溶液的滲漏。韓國(guó)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(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的效率產(chǎn)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(jié)，它的整流性質(zhì)是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵。啟動(dòng)超聲波源，將引起上下兩片電極的相對(duì)移動(dòng)。在此過程中，納米線或是被垂直的壓縮，或是被側(cè)向的壓彎，納米線的這些形變都將形成壓電電勢(shì)。利用MS結(jié)（即Pt-ZnO）的整流性質(zhì)，電路回路中將產(chǎn)生一定的可觀電流。圖四發(fā)電機(jī)模型圖五透射電鏡下的納米發(fā)電機(jī)的斷面圖當(dāng)基片在超聲波的驅(qū)動(dòng)下上下震動(dòng)時(shí)，會(huì)引起ZnO納米線晶體的彎曲形變，在被壓的一側(cè)產(chǎn)生負(fù)電勢(shì)，在被拉伸的一側(cè)產(chǎn)生正電勢(shì)。由于MS結(jié)的整流作用，只有負(fù)電勢(shì)的那一側(cè)被導(dǎo)通，產(chǎn)生由上至下的電流（圖六左）。當(dāng)超聲波的波源停止工作時(shí)，壓電電流和電勢(shì)也就停止（圖六右）Si電極下端面做成鋸齒狀這一點(diǎn)很關(guān)鍵。由于在基片上生長(zhǎng)的納米線晶體很難保證有同一長(zhǎng)度，把下端面做成鋸齒狀可以較好的兼顧長(zhǎng)短不一的晶體來發(fā)電。嵌于軟物質(zhì)里面的ZnO納米線的往復(fù)彎曲來產(chǎn)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(zhǎng)面的壓電性質(zhì)，在左端鏈接銀質(zhì)的金屬形成MS結(jié)，在右端鏈接歐姆接觸（圖七）。那么，這樣的結(jié)構(gòu)在快速往復(fù)的彎曲-還原后會(huì)產(chǎn)生電流。由于右端的歐姆接觸不具有整流性質(zhì)，所以形成圖八所示電壓的根源就是左端的MS結(jié)。MS結(jié)的整流原理已經(jīng)在文章的開頭已作介紹。ZnO納米線晶體快速?gòu)澢鷷r(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓，快速還原時(shí)又產(chǎn)生一個(gè)反向的脈沖電壓。經(jīng)過左端MS結(jié)的整流之后，形成于電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)（圖八）。

將多個(gè)相同的結(jié)構(gòu)彼此頭尾串聯(lián)在一起，形成更長(zhǎng)的納米線，形成的電壓是單根納米線所形成電壓的簡(jiǎn)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(xué)的理論對(duì)各根納米線的彎曲程度進(jìn)行具體的分析，因此形成的電壓不會(huì)是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系）。再將多根串聯(lián)在一起的長(zhǎng)納米線并聯(lián)在一起形成陣列，在外力的驅(qū)動(dòng)下，納米線同時(shí)進(jìn)行往復(fù)的彎曲，將會(huì)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(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)，這種發(fā)電機(jī)的納米線使用率有很大的提高。原因很直觀。超聲波驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)（圖四），對(duì)于那些長(zhǎng)度很小的納米線，根本不會(huì)參與到發(fā)電的過程中。而且，第二種發(fā)電機(jī)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(gè)納米線以相同的頻率和速度彎曲-還原，形成的壓電勢(shì)有很好的穩(wěn)定性，這在圖八中有很好的反應(yīng)。總結(jié)事實(shí)上，早在06年，王中林研究組就已經(jīng)報(bào)道過基于納米線壓電性質(zhì)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(zhǎng)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(xiàng)機(jī)構(gòu)顯然算不上發(fā)電機(jī)，因?yàn)橐粋€(gè)探針臂所導(dǎo)通的電流太小。但是，很顯然，該項(xiàng)研究為以上兩種發(fā)電機(jī)的制造提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。無論是用AFM探針臂觸碰納米線產(chǎn)生電流，還是用超聲波驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)，或是用外力致彎曲的方法的納米發(fā)電機(jī)，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(chǎn)生壓電勢(shì)，與導(dǎo)體接觸將產(chǎn)生壓電電流；第二，利用金屬涂層與ZnO形成MS結(jié)，利用MS結(jié)的整流性質(zhì)對(duì)壓電電流進(jìn)行整合。納米發(fā)電機(jī)的研究無疑將會(huì)對(duì)以后的科技發(fā)展和日常生活產(chǎn)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(shù)的不斷改進(jìn)，相信有一天可以通過吸收環(huán)境中聲波，一方面達(dá)到降噪的效果，一方面能夠發(fā)電以分擔(dān)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(jī)也將具有很大的應(yīng)用前景。六?自己的一些看法上面的內(nèi)容介紹了王中林課題組的幾種發(fā)電機(jī)的模型和工作原理，仔細(xì)比較會(huì)發(fā)現(xiàn)，納米發(fā)電機(jī)實(shí)際上整合了以下幾類知識(shí)：第一，晶體的壓電性質(zhì)。除了上面所述的正向壓電性質(zhì)外，實(shí)際上它的反向壓電性質(zhì)也很重要。比如，給具有壓電性質(zhì)的晶體一個(gè)高頻的交變電場(chǎng)，晶體會(huì)發(fā)出超聲波。也就是說，壓電晶體實(shí)際上就是一個(gè)換能器，可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能和電能的轉(zhuǎn)換。第二，納米材料的小尺寸效應(yīng)。納米材料的電子相對(duì)來說具有更高的自由度，于是壓電納米材料在一個(gè)較小的壓力下能夠產(chǎn)生相對(duì)明顯的壓電勢(shì)。就超聲波納米發(fā)電機(jī)來說，如果不是用納米材料，超聲波引起的電極上下振動(dòng)幾乎不會(huì)引起晶體的壓電勢(shì)。因此，真正意義上的超聲波-電場(chǎng)和電場(chǎng)-超聲波的轉(zhuǎn)換只有在納米尺度才會(huì)有明確的實(shí)現(xiàn)。不止于此，納米材料的小尺寸效應(yīng)引起的特殊的電子輸運(yùn)性質(zhì)，在其他方面，特別是半導(dǎo)體器件方面，有其獨(dú)特的用處。第三，半導(dǎo)體器件獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。文章前部分簡(jiǎn)述了金屬-半導(dǎo)體的整流性質(zhì)在納米發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵作用。除此之外，PN結(jié)，NPN或PNP結(jié)，MS結(jié)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它們有的具有整流性質(zhì)，有的具有放大作用，有的具有電流的調(diào)控作用。把它們應(yīng)用到納米領(lǐng)域，由于納米材料的小尺寸效應(yīng)，它們將會(huì)十分新奇的現(xiàn)象。最近研究的比較熱門的一個(gè)領(lǐng)域是納米生物傳感器，其基本原理就是納米量級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，利用FET的對(duì)柵極電勢(shì)的敏感性［5］，可對(duì)許多生物大分子的運(yùn)動(dòng)，理化性質(zhì)的變化進(jìn)行精確并實(shí)時(shí)的觀測(cè)［6］。這種傳感器實(shí)際上是對(duì)上述第二第三兩個(gè)知識(shí)的整合。另外，其實(shí)在晶體的性質(zhì)這一方面，很顯然不僅僅只有壓電性質(zhì)。晶體還有包括熱電，光電等許多奇妙的電學(xué)特性。在這方面，光電發(fā)電機(jī)就是太陽(yáng)能電池，熱電發(fā)電機(jī)也已經(jīng)有許多報(bào)道。晶體的電學(xué)性質(zhì)除了表現(xiàn)在能量轉(zhuǎn)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(jīng)是生活中隨處可見的。在宏觀大尺度的領(lǐng)域，晶體的電學(xué)性質(zhì)與半導(dǎo)體器件電學(xué)性質(zhì)的結(jié)合，已經(jīng)做出了許多有意義的成果。那么，延伸到納米尺度，結(jié)合納米材料的小尺寸效應(yīng)，又將會(huì)是十分有前景的領(lǐng)域。事實(shí)上，這就像是一個(gè)簡(jiǎn)單的加法：壓電性質(zhì)+納米尺度+MS結(jié)整流=納米發(fā)電機(jī)；納米尺度+FET=生物傳感器；光電性質(zhì)+納米尺度+PN結(jié)=納米太陽(yáng)能電池。這樣的加法還可以列出許多個(gè)，比如說，熱電性質(zhì)+納米尺度+FET=？，壓電性質(zhì)+納米尺度+PN結(jié)=？等等。雖然這些加法列出來之后，暫時(shí)不知道這些器件能否制造出來，但是我們可以從理論上對(duì)這些加法所得到的器件的性質(zhì)和用途做一個(gè)期望。如果理論上，可以得到一個(gè)具有新奇性質(zhì)的器件，再去從實(shí)驗(yàn)上將其做出來也不遲。比如說，熱電性質(zhì)+納米尺度+FET=？這個(gè)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(zhì)與塊體的熱電性質(zhì)也有很大的不同。溫度的變化引起晶體電勢(shì)的變化，若將該晶體至于FET的柵極，則可以調(diào)控溝道電流的大小。那么我們可以設(shè)想做一個(gè)溫度傳感器，由于它的大小處于納米量級(jí)，可以制成薄膜，帖附與壁爐的內(nèi)壁，即可對(duì)壁爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的，立體的監(jiān)測(cè)和調(diào)控。參考文獻(xiàn)：ZhongLinWang*andJinhuiSong，14APRIL2006VOL312SCIENCE；ZhongLinWang*,XudongWang,JinhuiSong,JinLiu，6APRIL2007VOL316SCIENCE；ZhongLinWang1*，RusenYang1,YongQin1,LimingDai2,JANUA