压电式纳米发电机

报告人：刘治明1.定义2.组成及原理3.功能及应用4.发展过程及前景展望1、正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。一、定义压电效应原理图2、压电式纳米发电机：利用特殊纳米材料（如ZnO）的压电效应，在受到外界拉伸或压缩作用时将机械能转化为电能的能为纳米器件供电的装置。二、组成和原理1、组成从上到下依次由驱动电极（肖特基势垒）、ZnO纳米线、固定基底组成。肖特基势垒：金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。ZnO纳米线：氧化锌纳米线容易被弯曲，从而在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，具有优良的半导体性能和压电效应。2、原理在直立式发电机中，氧化锌纳米线一端固定，并与一个固定电极相连。而当氧化锌线自由端在驱动电极的作用下受力变形时，纳米线一侧受压缩而另一侧被拉伸。由于氧化锌同时具有半导体和压电性质，这就使得纳米线拉伸和压缩的两个相对侧面分别产生正、负压电电势，借助半导体性质的氧化锌纳米线和其金属尖部的肖特基势垒将电能暂时储存在氧化锌纳米线内，并可用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，通过肖特基势垒整流后，向外界输电。肖特基势垒：具有整流作用固定电极ZnO纳米线三、性能及应用1、性能：a.功率：单根氧化锌纳米线的放电能为0.05FJ，如果选择氧化锌密为20/μm，则功率为10pW/μm。b.功能：能够收集任何微弱形式的机械能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。2、应用：由于纳米发电机是最近几年才研制出来的高科技产物，目前还未应用于生产，主要应用在一些概念性的科技产品上。由纳米发电机驱动的心脏起勃器在运动时能够发电的衣服、鞋子与普通压电材料发电机的比较：常规的压电材料（如PZT）的缺点：1、化学成分及晶体结构较复杂，难以实现小尺寸与大功率的有机结合。2、通常为绝缘体，尽管弯曲时也能产生电势变化，但是由于它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒，因而本身无法实现电荷积累到释放这一转变过程。3、需要一个复杂的外接电路来实现电荷的积累，很难达到器件真正的微型化。纳米压电材料（ZnO）优点：1、新型半导体压电材料，具有比较简单的化学成分与晶体结构，容易控制其纯度、尺寸、形貌。2、极大的纵横比，使纳米线在很小的作用力下弯曲而产生电势差。这两点为大功率的纳米发电机的开发提供物质与理论基础。四、现状及前景展望1、发展过程：目前有许多研究人员致力于纳米发电机的研究，主要以美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林和他的研究小组为主。他们小组分别于2005年开始研究如何用纳米结构来把机械能转换为电能。2006年发明了世界上最小的发电装置——直立式纳米发电机。2007年成功研发出由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电机。在纳米材料领域具有里程碑的作用。2008年研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机，即纤维纳米发电机。真正实现了“只要能动，就能发电”。2010发明了封装型交流纳米发电机，有效克服了直立式发电机的设计缺陷。2、现状及前景：目前，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个“发电机组”。让多个纳米发电机联合发电。专家预测，纳米发电机在生物医学、军事、无线通信和无线传感等领域将有广泛的应用前景。这项发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统；可以收集机械能、震动能、流体能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件；纳米发电机产生的电能足够让纳米器件或纳米机器人实现能量自供。也许再过不久，我们在鞋内装上一个“纳米发电机”，就一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。