CN101860261B - 一种逆压电纳米半导体发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆压电纳米半导体发电机，包括半导体纳米线阵列、金属薄片、外壳和外接电路。所述的纳米线阵列由具有逆压电和极化特性的取向半导体纳米线组成、生长在对应的导电金属基片上，所述的金属薄片与半导体纳米线阵列的另一边紧密接触，所述的半导体纳米线阵列和金属薄片通过上下叠压接触后、通过悬挂弹簧系统直接固定在外壳中，并与外接电路相连接。当空间电磁辐射信号作用在纳米线上时，纳米线将产生逆压电和极化现象，纳米线表面将有正负电荷积累。同时，金属-N型半导体的接触面间将形成使电流单向导通的肖特基接触效应，并将纳米线表面的一种极化电荷直接以电子流的形式输出到外接电路，完成电磁辐射能到电能的能量转换。

Description

一种逆压电纳米半导体发电机

技术领域

本发明涉及纳米发电、微机电和电源技术领域，涉及一种将空间中的电磁辐射能转化为电能的逆压电纳米半导体发电机。

背景技术

随着信息时代的到来，人们在工作和日常生活中使用和接触各种电子仪器和电子产品的机会越来越多，各种家用电器、电子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置只要处于工作使用状态，它们就会向其周围辐射电磁波，人体如果长期暴露在超过安全范围的电磁辐射剂量下，细胞就会被大面积杀伤或杀死，这将对人体的健康产生非常不利的影响。

空间辐射电磁波也是一种能量，如果能将其转化为电能、光能、热能等其它形式能量，就可实现有效利用空间电磁辐射能量的目的。这不但是个非常有意义的研究课题，而且也符合当今世界和国家倡导的绿色发展、和谐发展的长远发展目标和发展战略。

随着纳米科技的快速进步，以纳米电子学为代表的大量高灵敏度、高性能微纳米器件和微纳电子系统的开发已成为目前纳米科技最热门的研究方向之一。例如，新型无线微机电系统需要利用其同步内置生物传感器开展一些生物医药监控、生物活体探测等工作，当其工作时，必须要解决其因内置于生物体或其它环境条件下的所需的电源供给问题。新型的微纳米级或厘米级的微型机器昆虫可采用轮子或节肢等方式运动，微型飞行器在低雷诺数条件下也可采用扑翼飞行方式进行长距离飞行，这项技术的关键问题也是如何解决这些微纳机电系统的电源供给问题。一般来说，旧有的传统电子系统和传感器的电源都是直接或者间接来源于电池，但如果新一代微纳米尺度的电子系统也带上一个毫米甚至厘米尺度的电源，必将大大增加其体积规模，限制甚至破坏其综合功能的应用。世界各国科学家都在积极开发各种新型发电方式并努力研发各种新型长寿命电源。据英国《科学》杂志报道，美国佐治亚理工学院的王中林教授研究组成功地利用ZnO纳米半导体材料的压电特性，在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，制成了可将机械振动能、流体振动能等转化为电能的纳米发电机，该发明为即将到来的纳电子时代各种微型系统的电源设计和制造奠定了重要的研究基础。中国专利200710097875.8《交流纳米发电机及升压方法》也公开了这样一种纳米发电机。此种纳米发电机通过系统中纳米半导体阵列和对应放置的纳米金属针尖阵列产生的相对振动，使纳米半导体阵列中的纳米棒、线或带发生形变，并利用ZnO纳米半导体材料的正压电特性将各种机械振动能转化为电能。但这类纳米发电机的发明说明书和权利要求书中涉及到的发明内容还存在许多不足。主要表现在：

1、王中林研究组发明的纳米发电机只利用了ZnO及其它纳米半导体的正压电特性，发电转换模式只涉及到如何将自然界中存在的各种机械振动能转化为电能，这些机械能仅局限在运动、振动、流体运动等自然存在的低频震动范围内，没有涉及到如何利用ZnO半导体的逆压电特性将空间中的高频电磁辐射能转换为电能这一能量转换模式；

2、王中林研究组制作的纳米发电机基本机构是一个N型取向ZnO半导体纳米线与一个镀金或白金的ZnO半导体纳米线阵列或锯齿状镀金或白金的针尖阵列相对放置，并紧密接触组成的装置。但在外界较强机械振动力的作用下，该种纳米发电机的纳米线和金属针尖都将产生较大的机械形变，容易产生纳米线机械折损问题，影响其使用寿命，同时，上下纳米线间需要精密接触的组装模式也使这种发电机的组装和运行机制都比较苛刻；

3、为了收集半导体机械形变产生的压电极化电荷，形成电流的单向导通效应，这种纳米发电机的上部极化电荷收集单元还需要镀上一层功函数大于N型ZnO半导体材料功函数的Au或Pt等贵金属材料，电机制造和装配成本较高；

4、该种纳米发电机单位面积器件能提供的输出功率和电流强度还较小，使这种纳米发电机的适用范围受到一定限制。

如果能利用当代最新的纳米科技研究成果，开发出一些新型电源或发电机，在进一步简化现有纳米发电机结构、系统要求和制造成本的同时，还能让微纳器件或系统利用空间中的各种的高频交变电磁辐射能量获得能量，让其自己给自己提供电能，就不需外接额外电源。并且可将这种发电机内置于微纳器件和系统中，通过对其发射电磁波就可实现自供电，从而方便的实现微纳器件和电源两者完全彻底的小型化。

发明内容

为解决现有纳米发电机技术中存在的上述问题，本发明的目的是要设计一种相对输出功率较高、成本低廉、电机持续寿命较长、工艺实现相对简单的逆压电纳米半导体发电机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种逆压电纳米半导体发电机包括半导体纳米线阵列、金属薄片、外壳和外接电路，所述的半导体纳米线阵列由具有逆压电和极化特性的取向半导体纳米线组成、生长在对应的导电金属基片上，所述的金属薄片与朝上放置的半导体纳米线阵列的上端紧密接触，所述的半导体纳米线阵列和金属薄片通过上下叠压接触后、通过悬挂弹簧系统直接固定在外壳中，并与外接电路相连接；所述的半导体纳米线阵列是通过水热合成工艺直接生长在金属Zn的基片上的半导体ZnO纳米线阵或者通过水热合成工艺直接生长在Cd片上的CdS纳米线阵列；所述的金属薄片的材料是功函值小于半导体功函值的金属材料或功函值大于半导体功函值的金属材料。

本发明所述的功函值小于半导体功函值的金属材料是Zn或Al或Cu或Fe，功函值大于半导体功函值的金属材料是Au或Pt等。

本发明所述的半导体纳米线几何尺寸范围不受限制。

本发明所述的半导体纳米线可用相同材料的半导体纳米带或半导体纳米棒代替。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用一个生长在导电金属片上的具有逆压电和电极化特性的半导体纳米阵列，将纳米线阵列水平放置，纳米线方向朝上，并在其上放置一片与之相接触的导电金属薄片，在外界交变微波或其它高频电磁信号作用下，每根具有逆压电和极化特性的半导体纳米线中将产生逆压电和电极化效应，纳米线的表面将随外界电磁场的变化产生交变的正负电荷积累。当金属薄片的功函值大于N型ZnO或CdS等半导体纳米线功函值时，金属-半导体接触面间形成的肖特基势垒可等效为一个电流导通方向从金属指向半导体的PN结，从而只能将一种类型的极化电荷源源不断的输送到外接电路；而当金属薄片的功函值小于N型ZnO或CdS等半导体纳米线功函值时，因半导体纳米线表面存在丰富的表面态，金属-半导体接触面上将会存在一个势垒，同时，在金属-半导体接触面上，因金属的费米面高于半导体的费米面，金属上的负电子有流向半导体的趋势，但当半导体在逆压电效应作用下，半导体与金属接触的一端带上负的极化电荷时，金属上的电子受到半导体一端这些负的极化电荷的排斥加上接触面间的势垒的限制就不能流到半导体上，此时纳米发电机处于截止状态，而当与金属接触的半导体一端在交变电磁信号作用下带上正的极化电荷时，金属上的负电子受到半导体一端大量正电荷的吸引作用，将克服势垒的阻碍，流向半导体，这样就在外接电路的辅助下，形成从金属流向半导体的负电子流，而此时纳米发电机的电流的方向就是从半导体指向金属。因外界交变电磁辐射信号的变化频率都很高，其总体效果就等效为电流从半导体流向金属，并持续向外供电，达成纳米发电机发电的效果。我们已通过实验证明了这一结论。

所以，不论金属片的功函值大于还是小于N型半导体纳米线的功函值，在外接电路的辅助作用下，在半导体纳米线阵列和金属薄片之间的接触特性将只能使产生逆压电效应的半导体纳米线表面积累的一种极化电荷输出，另一种极化电荷被截止。从而可将空间中的各种高频交变电磁信号和电磁微波辐射能直接转换成电能以电子流的形式输出，产生足够的电能，以此驱动或控制外接电路中的纳米器件或系统等负载。

2、本发明既可以利用Zn、Al、Cu、Fe等普通金属薄片作极化电荷收集电极，也可以利用Au、Pt等贵金属薄片作电荷收集电极。而采用普通金属薄片代替了传统纳米发电机必须采用功函值比半导体功函值大的Au、Pt等贵金属的苛刻要求，可极大的降低电机制造成本。

3、本发明利用压电半导体纳米线阵列的逆压电特性通过感应吸收空间中的交变电磁信号能量，直接进行发电，并采用一个面积与之相等的普通平滑金属片，如Zn、Al、Cu、Fe、Au、Pt等片等作上部电荷收集电极，电机装配简单。同时，因逆压电效应，在外电场作用下纳米线所产生的与场强二次方成正比的电致伸缩应变也比因外部机械振动产生的应变幅度要小，电机的工作寿命也得到较大提高。

4、本发明使用水热合成技术，将ZnO、CdS等纳米线直接生长在对应的金属基片上，减少了纳米发电机连接中的接触电阻问题，提高了纳米发电机的输出效率。

5、本发明对交变电磁信号的极化方向、辐射强度等也有极强的敏感响应特性，可在甚高频、射频电磁辐射范围内，作为对交变电磁信号的大小和发射源方向进行检测的敏感器件使用。

6、本发明加工简单，体积小，成本低，可随意安装在各种微电子产品如手机、电子表、传感器和各种微纳电子系统外壳或内部，容易实现机电一体化。

7、本发明不必通过机械外力直接作用在纳米线上，纳米线形变程度较小，其原理更加简单，工作寿命和系统可靠性也比王中林研究组的正压电发电方案大大提高。实验结果表明，一个上部为金属Zn片、下部为生长在Zn基片上的的ZnO半导体纳米线阵列，上下阵列面积为15×15mm2，两者通过紧密接触组成的纳米发电机，在GSM手机拨号电磁辐射信号激励下，实验发现其金属Zn为电机正极，ZnO半导体为负极，其最大输出电流可达100微安，远大于传统纳米发电机的电流强度输出结果，电机的工作寿命大于20000小时。该项发明在即将到来的微纳电子器件和微纳机电系统时代有重要的应用前景。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1为逆压电纳米半导体发电机结构示意图。

图2为逆压电纳米半导体发电机发电原理示意图。

图3为逆压电纳米半导体发电机发电系统组成示意图。

图中，1、半导体纳米线阵列，2、金属薄片，3、金属基片，4、外壳，5、外接电路，6、外部用电装置，7、悬挂弹簧系统，8、单根纳米线，9、正电荷，10、负电荷，11、交变电磁场，12、PN结，13、纳米发电机，14、坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种逆压电纳米半导体发电机包括半导体纳米线阵列1、金属薄片2、外壳4和外接电路5，所述的半导体纳米线阵列1由具有逆压电和极化特性的取向半导体纳米线组成，生长在对应的导电金属基片3上，所述的金属薄片2与朝上放置的半导体纳米线阵列1的上端紧密接触，所述的半导体纳米线阵列1和金属薄片2通过上下叠压接触后、通过悬挂弹簧系统7直接固定在外壳4中，并与外接电路5相连接；所述的半导体纳米线阵列1是通过水热合成工艺直接生长在金属Zn的基片上的半导体ZnO纳米线阵或者通过水热合成工艺直接生长在Cd片上的CdS纳米线阵列；所述的金属薄片2的材料是既可是Zn或Al或Cu或Fe等功函数值小于半导体功函数值的金属，也可是Au或Pt等功函数值大于半导体功函数值的金属。所述的半导体纳米线几何尺寸范围不受限制。所述的半导体纳米线可用相同材料的半导体纳米带或半导体纳米棒代替。

本发明的发电原理如图2所示，图中的x、y、z方向如坐标系14所示，当纳米发电机13在交变电磁场11的作用下，电磁波的极化分量一定会在每根逆压电半导体ZnO纳米线的长轴z或截面轴x或y方向产生一定程度的极化分量，使ZnO纳米线晶格中产生机械应变，出现逆压电效应，这个效应就会造成每根纳米线表面出现极化电荷的积累。因外界交变电磁场11作用方向按一定频率周期变化，就会使单根ZnO纳米线8产生周期性形变，出现周期性极化电荷，ZnO纳米线的上下端部表面必会产生正电荷9和负电荷10的周期性积累和变化。又因金属片2与ZnO纳米线8之间紧密接触总可形成一个单向导通的PN结12，这个PN结12只能使因逆压电效应在ZnO纳米线表面产生的一种极化电荷源源不断输出，从而可将空间中的各种高频交变电磁辐射信号能11直接转换成电能以电子流的形式输出，驱动或控制各种用电或储能单元。

图3所示为采用本发明的一个发电系统，包括交变电磁场11、纳米发电机13、外接电路5、外部用电装置6。在外界交变电磁场11作用下，纳米发电机13下部半导体阵列中的每根纳米线将产生逆压电效应，每根纳米线上下端部表面因电极化将产生正负电荷积累，通过上部特定金属片与半导体纳米线之间形成的PN结12，只可将一种类型的电荷不断引出，进行发电，并通过外接电路5连接到外部用电装置6，使电能不断输出，并驱动外部用电装置6工作；也可通过外接电路5在后端连接一个测试模块，利用输出电流大小对交变电磁场11信号进行检测；或通过外接电路5连接到储电装置模块，储存电能以备使用。

Claims (4)

1.一种逆压电纳米半导体发电机，其特征在于：包括半导体纳米线阵列(1)、金属薄片(2)、外壳(4)和外接电路(5)，所述的半导体纳米线阵列(1)由具有逆压电和极化特性的取向半导体纳米线组成、生长在对应的导电金属基片(3)上，所述的金属薄片(2)与朝上放置的半导体纳米线阵列(1)的上端紧密接触，所述的半导体纳米线阵列(1)和金属薄片(2)通过上下叠压接触后、通过悬挂弹簧系统(7)直接固定在外壳(4)中，并与外接电路(5)相连接；所述的半导体纳米线阵列(1)是通过水热合成工艺直接生长在金属Zn的基片上的半导体ZnO纳米线阵或者是通过水热合成工艺直接生长在Cd片上的CdS纳米线阵列；所述的金属薄片(2)的材料是功函值小于半导体功函值的金属材料或功函值大于半导体功函值的金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种逆压电纳米半导体发电机，其特征在于：所述的功函值小于半导体功函值的金属材料是Zn或Al或Cu或Fe，所述的功函值大于半导体功函值的金属材料是Au或Pt。

3.根据权利要求1所述的一种逆压电纳米半导体发电机，其特征在于：所述的半导体纳米线几何尺寸范围不受限制。

4.根据权利要求1或2所述的一种逆压电纳米半导体发电机，其特征在于：所述的半导体纳米线可用相同材料的半导体纳米带或半导体纳米棒代替。

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