CN102208525B - 压电元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种压电元件及其制备方法，本发明的压电元件包括：多个纳米碳管；压电陶瓷层，覆于纳米碳管的表面；以及支撑材料，配置于表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间，使支撑纳米碳管；其中，多个纳米碳管之间排列呈现一梳状，配置于多个纳米碳管表面的压电陶瓷层互相电性耦接，且多个纳米碳管、至少一压电陶瓷层、以及支撑材料形成一压电块。本发明的压电元件可同时具有优秀的弹性(耐用性)以及优秀的压电特性，且当本发明的压电元件尺寸为2.5mm×1mm×1mm(长×宽×高)时，所测得的电流可达到约1.5μA、电压可达1V以上。
Description
技术领域
本发明是关于一种压电元件及其制备方法，尤指一种以表面覆有压电陶瓷层的纳米碳管作为压电材料的压电元件及其制备方法。
背景技术
压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，而压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。压电材料的应用范围非常广泛，例如：生化医疗用途、风力或潮汐发电装置、无线感应器、个人化电子产品等。目前常见的压电材料包含有陶瓷类的钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)等，或是氧化锌(ZnO)。其中，现有技术于纳米级的压电元件的制作上，有一种是使用氧化锌制成纳米线(ZnO nanowire)来作为压电材料。
US2008/0067618即是提出一种以氧化锌纳米线作为压电元件的压电材料。如图1所示，其压电元件包括有：一第一导电层11(作为下电极)以及一第二导电层12(作为上电极)，第一导电层11与第二导电层12之间具有多个氧化锌纳米线13，且多个氧化锌纳米线13的一端是与第一导电层11电性耦接。由此，当施与一机械性压力于第二导电层12而使多个氧化锌纳米线13产生形变时，第一导电层11以及第二导电层12间会产生电压差或电流，而产生压电效应。
然而，使用压电陶瓷纳米线所制得的压电元件，其产生的电流大约仅为10-12-10-9安培左右，且由于压电陶瓷纳米线本身弹性度不佳、容易脆裂，因此时常导致所制作出来的压电元件的信赖性不佳。故，本领域亟需一种具有新颖结构的压电元件，使可改善现有压电元件中电流小以及压电陶瓷纳米线容易脆裂而导致信赖性不佳的缺点，而增加压电元件的信赖性以及可应用范围。
发明内容
本发明是提供一种压电元件，包括：多个纳米碳管；至少一压电陶瓷层，覆于多个纳米碳管的表面；以及支撑材料，配置于表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间，使支撑表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管；其中，表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管排列呈现一梳状，配置于多个纳米碳管表面的压电陶瓷层互相电性耦接，且多个纳米碳管、至少一压电陶瓷层、以及支撑材料形成一压电块。
本发明的压电元件包含有纳米碳管/氧化锌结构于其中，因此可同时具有优秀的弹性(耐用性)及优秀的压电特性的优点。并且，本发明的单一压电元件所得到的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约106倍(现有压电元件的电流大约仅为10-12-10-9安培左右)，而此为现有技术所无法达成。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流是取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(1V以上)与电流(1mA以上)。
本发明的压电元件中，较佳可还包括一第一导电层以及一第二导电层，第一导电层以及第二导电层较佳为分别配置于压电块的相对二表面(例如，上表面以及下表面、或是二个相对的侧表面)，且第一导电层以及第二导电层分别与压电块中的压电陶瓷层电性耦接。第一导电层以及第二导电层较佳各自独立地为一金属层，其材质较佳可为金、银、铜、铂、钛、钯、或其合金，但不限于此。
本发明的压电块，依照电极配置的位置，可分为串联型式或并联型式的连接方法。当以并联型式连接时，压电块的上表面以及下表面可分别配置有一第一导电层以及一第二导电层，当元件尺寸(并联长度)超过1mm时，电流可超过1μA。当以串联型式连接时，第一导电层以及一第二导电层配置于压电块的二个侧表面，当元件尺寸(串联长度)超过2.5mm时，电压可超过1V。
由于纳米碳管本身具有导电性质，本发明的压电元件即使不具有第一导电层以及第二导电层亦可正常作用。例如，只要将导线与压电块的纳米碳管连接，即可将电流输出。而本发明中，第一导电层以及第二导电层可用以帮助电流收集。
本发明的压电元件中，支撑材料填充于多个纳米碳管之间以支撑纳米碳管，支撑材料较佳可为一高分子材料，更佳可选自由：聚对二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromellitic dianhydride)、聚亚酰胺(polyimide)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、铁弗龙(Polytetrafluoroethene，Teflon)及其混合所组成的群组。支撑材料是用以连结此些纳米碳管，使纳米碳管彼此间黏着并形成一软性可挠曲薄膜以增加元件的寿命。
本发明的压电元件中，多个纳米碳管表面的压电陶瓷层的厚度较佳可为至
之间。
本发明的压电元件中，多个纳米碳管表面的压电陶瓷层的材料较佳可为钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，更佳可为氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。
本发明还提供一种压电元件的制备方法，包括步骤：(a)提供一基板；(b)形成多个纳米碳管于基板的表面；(c)形成至少一压电陶瓷层于多个纳米碳管的表面，并使压电陶瓷层之间互相电性耦接；(d)填充一填充材料于表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间；以及(e)移除基板，其中，多个纳米碳管、至少一压电陶瓷层、以及支撑材料形成一压电块。
经由本发明的制备方法所制得的压电元件，可同时具有优秀的弹性(耐用性)以及优秀的压电特性的优点。本发明利用了纳米碳管的弹性(纳米碳管本身并不具有压电特性，但其相较于压电陶瓷纳米线具有极佳的弹性)，并于纳米碳管表面形成压电陶瓷层，因此所得到的具有纳米碳管/压电陶瓷结构的材料同时具有优秀的弹性以及压电特性。并且，本发明所制得的单一压电元件所测得的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约106倍。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(1V以上)与电流(1mA以上)。
本发明的压电元件的制备方法，步骤(d)之后较佳可还包括一步骤(d1)：电浆蚀刻(plasma etching)该填充材料，使显露表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管。
本发明的压电元件的制备方法，其中，步骤(c)中，压电陶瓷层较佳可经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而形成于多个纳米碳管的表面。
本发明的压电元件的制备方法，其中，步骤(d)之后较佳可更包括一步骤(d2)：形成一第一导电层于该填充材料及该多个纳米碳管上，且步骤(e)之后较佳可还包括一步骤(f)：形成一第二导电层于压电块上，并使第一导电层以及第二导电层配置于压电块的相对二表面。
本发明的压电元件制备方法的步骤(c)中，该压电陶瓷层经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而形成于该多个纳米碳管的表面。
本发明的压电元件制备方法的步骤(c)后较佳可还包括一步骤(c0)：重复步骤(c)1至2000次，使形成于纳米碳管表面的压电陶瓷层的总厚度可达到预定值。而步骤(c0)中，形成于纳米碳管表面的该压电陶瓷层的总厚度较佳为
至之间，使所制得的压电元件可具有足够的压电特性。
本发明的压电元件的制备方法，步骤(c)中，压电陶瓷层的材料较佳可为钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，更佳可为氧化锌或氮化铝。
本发明又提供一种压电元件，其包括：一基板；一第一导电层；多个纳米碳管，其设于基板上，多个纳米碳管配置于基板与第一导电层之间，且多个纳米碳管之间排列呈现一梳状；以及至少一压电陶瓷层，位于基板与第一导电层之间并覆于多个纳米碳管的表面，且多个纳米碳管是经由压电陶瓷层而互相电性耦接。
本发明利用了纳米碳管的弹性(纳米碳管本身并不具有压电特性，但其相较于氧化锌纳米线具有极佳的弹性)，并于纳米碳管表面形成氧化锌层，因此所得到的具有纳米碳管/氧化锌结构的材料可同时具有优秀的弹性及优秀的压电特性的优点。并且，本发明的单一压电元件所得到的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约106倍(现有压电元件的电流大约仅为10-12-10-9安培左右)，而此为现有技术所无法达成。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流是取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(高于1V)与电流(高于1mA)。
本发明的压电元件中，当未施与机械性压力于该第一导电层时，部分纳米碳管的顶端可不与第一导电层接触；而是当施与机械性压力于该第一导电层时，纳米碳管的顶端始与第一导电层接触。此外，本发明的压电元件中，当未施与机械性压力于该第一导电层时，部分该顶端与该第一导电层亦可为已电性耦接。不论是何种情况，当施与一机械性压力于该第一导电层而使该表面覆有氧化锌层的多个纳米碳管产生形变时，产生有如电压差、或电流等电特性(electrical characteristic)，而具有压电特性。
本发明的压电元件中，较佳可还包括一第二导电层，配置于基板上，且多个纳米碳管设于第二导电层上，并使第二导电层配置于基板与多个纳米碳管之间。第二导电层可用以帮助电流的收集。
本发明的压电元件中，该第一导电层以及该第二导电层之间较佳亦可更包括有一填充材料，填充于该表面覆有氧化锌层的多个纳米碳管之间。该填充材料可用以支撑该些纳米碳管，使纳米碳管不易断裂，更增加压电元件整体的使用寿命。填充材料可为一般的高分子，例如较佳可选自由：聚对二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromellitic dianhydride)、聚亚酰胺(polyimide)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、铁弗龙(Polytetrafluoroethene，Teflon)及其混合所组成的群组。该填充材料可用以连结该些纳米碳管，使纳米碳管彼此间黏着并形成一软性可挠曲薄膜以增加元件的寿命。
本发明的压电元件中，该第一导电层以及该第二导电层作为压电元件的二个电极，且较佳为各自独立地为一金属层，例如：金层、银层、铜层、铂层、钛层、钯层、或上述金属的合金层。
本发明的压电元件中，该压电陶瓷层较佳可经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而形成于该多个纳米碳管的表面。原子层沉积法可达到于高深宽比的纳米碳管表面均匀地覆上氧化锌层的效果。若使用其它方法于纳米碳管表面形成氧化锌层，例如浸涂法(dip-coating)、溶胶凝胶法(Sol-gel)或其它湿化学(wet chemical)方法，则压电陶瓷层的均匀性将无法提高，而影响到压电元件的压电特性。
本发明的压电元件中，该些多个纳米碳管表面的氧化锌层的厚度较佳可介于
至
之间。压电陶瓷层的厚度是与压电元件的压电效率相关，因此需作适当的调整以得到较佳的压电特性。
本发明的压电元件中，该压电陶瓷层的材料无特殊限制，只要是具压电特性的材料皆可使用，如钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，较佳可为氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。
另外，本发明亦提供一种压电元件的制备方法，包括步骤：(a)提供一基板；(b)形成多个纳米碳管于该基板的表面；(c)形成至少一压电陶瓷层于该多个纳米碳管的表面，并使该压电陶瓷层之间互相电性耦接；以及(d)形成一第一导电层于该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管上。
经由本发明的制备方法所制得的压电元件，可同时具有优秀的弹性以及优秀的压电特性的优点。本发明利用了纳米碳管的弹性(纳米碳管本身并不具有压电特性，但其相较于压电陶瓷纳米线具有极佳的弹性)，并于纳米碳管表面形成压电陶瓷层，因此所得到的具有纳米碳管/压电陶瓷结构的材料是同时具有优秀的弹性以及压电特性。并且，本发明所制得的压电元件所测得的单一元件的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约106倍，而此为现有技术所无法达成。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流是取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(1V以上)与电流(1mA以上)。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(a)与步骤(b)之间较佳可还包括一步骤(a1)：形成一第二导电层于该基板的表面，使该多个纳米碳管位于该第一导电层与该第二导电层之间，且该多个纳米碳管的一端是与该第二导电层连接。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(c)之后及步骤(d)的前较佳可更包括一步骤(c1)：填充一填充材料于该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间。该填充材料可用以连结该些纳米碳管，使纳米碳管间黏着并形成一软性可挠曲薄膜，更增加压电元件整体的使用寿命。填充材料可为一般的高分子，较佳可选自由：聚对二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromelliticdianhydride)、聚亚酰胺(polyimide)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、铁弗龙(Polytetrafluoroethene，Teflon)、及其混合所组成的群组，但不限于此。步骤(c1)中，填充材料较佳是使用热蒸度法或真空渗透法而填充于多个纳米碳管之间。并且，步骤(c1)之后较佳可还包括一步骤(c2)：电浆蚀刻(plasma etching)该填充材料，使显露该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(c)中，该压电陶瓷层较佳可经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而形成于该多个纳米碳管的表面。原子层沉积法可达到于高深宽比的纳米碳管表面均匀地覆上压电陶瓷层的效果。若使用其它方法于纳米碳管表面形成压电陶瓷层，例如浸涂法(dip-coating)、溶胶凝胶法(Sol-gel)或其它湿化学(wet chemical)方法，则压电陶瓷层的均匀性将无法提高，而影响到压电元件的压电特性。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(c)中，形成于该纳米碳管表面的该单一压电陶瓷层的厚度较佳可为
至之间，此厚度为经由原子层沉积法一次循环后的氧化锌层单一层的厚度。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(c)后较佳可还包括一步骤(c0)：重复步骤(c)1至2000次，使形成于纳米碳管表面的压电陶瓷层的总厚度可达到预定值。而步骤(c0)中，形成于纳米碳管表面的该压电陶瓷层的总厚度较佳为
至
之间，使所制得的压电元件可具有足够的压电特性。
本发明的压电元件的制备方法中，步骤(a)中的该基板较佳可为硅基基板、或玻璃基板，但不限于此。
本发明的压电元件的制备方法中，第一导电层以及该第二导电层分别作为压电元件的上电极以及下电极，且较佳可各自独立地为金属层，且该金属层较佳可为金、银、铜、铂、钛、钯、或其合金，但不限于此。
本发明的压电元件的制备方法中，该压电陶瓷层的材料无特殊限制，只要是具压电特性的材料皆可使用，如钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)，较佳可为氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。
附图说明
图1是现有的压电元件示意图。
图2A-图2H是本发明实施例1的压电元件制备流程示意图。
图3是本发明实施例1的压电元件的电流测量图。
图4A-图4F是本发明实施例2的压电元件制备流程示意图。
图5是本发明实施例3的压电元件制备流程示意图。
图6A-图6D是本发明实施例4的压电元件制备流程示意图。
图7A-图7D是本发明实施例5的压电元件制备流程示意图。
图7E-图7F是本发明实施例5中，当施与机械性压力于压电元件时，纳米碳管产生形变的示意图。
【主要元件符号说明】
11 第一导电层 23 内米碳管
12 第二导电层 231 第一端
13 氧化锌纳米线 232 第二端
2 压电元件 24 氧化锌层
20 基板 25 填充材料
21 第一导电层 3 压电块
22 第二导电层 L1，L2 长度
具体实施方式
[实施例1]
请参阅图2A-图2H，其是本实施例的压电元件制备流程示意图。首先，(a)提供一基板20(如图2A所示)；接着(b)形成多个纳米碳管23于基板20的表面(如图2B所示)。本实施例中，所使用的基板20为硅基基板。
并接着，(c)形成氧化锌层24(即，压电陶瓷层)于多个纳米碳管23的表面(如图2C所示)。在此，是使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而将氧化锌层24形成于多个纳米碳管23的表面。并且，(c0)重复步骤(c)中的形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面的步骤800次(图未示)，使氧化锌层24的总厚度达到预定值(约
)。
接着，(d)使用热蒸度法，填充一支撑材料25于表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间(如图2D所示)。在此，该支撑材料25为聚对二甲基苯。并接着，(d1)电浆蚀刻(plasma etching)该支撑材料25，使此些表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23显露出来(如图2E所示)。
然后，(d2)形成一第一导电层21于此些表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23以及支撑材料25上，使第一导电层21与覆盖于纳米碳管23上的氧化锌层24电性耦接(如图2F所示)。本实施例中，第一导电层21的材料为金。
接着，(e)移除基板20(如图2G所示)，而最后(f)形成一第二导电层22于该表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23上，使表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23配置于该第一导电层21与该第二导电层22之间，如此则得到本实施例的压电元件2(如图2H所示)。于此，第二导电层22所使用的材料为金。
本实施例中，压电陶瓷层所使用的材料为氧化锌，但本发明中压电陶瓷层的材料并不仅限于此，亦可为氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、钛酸钡(BaTiO3，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3，PZT)、石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、或铌酸盐(niobate)等具有压电特性的材料。
如图2H所示，本实施例的压电元件2包括有：多个纳米碳管23、氧化锌层24(压电陶瓷层)、支撑材料25、第一导电层21、以及第二导电层22。氧化锌层24是覆于多个纳米碳管23的表面，支撑材料25配置于表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间，使支撑该些纳米碳管23。其中，表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间是排列呈现一梳状，配置于多个纳米碳管23表面的氧化锌层24为互相电性耦接，且多个纳米碳管23、氧化锌层24、以及支撑材料25形成一压电块3。第一导电层21以及第二导电层22分别配置于压电块3的相对二表面，且第一导电层21以及第二导电层23分别与压电块3中的氧化锌层24电性耦接。
经由本发明的制备方法所制得的压电元件，可同时具有优秀的弹性以及优秀的压电特性的优点。本发明利用了纳米碳管的弹性(纳米碳管本身并不具有压电特性，但其相较于氧化锌纳米线具有极佳的弹性)，并于纳米碳管表面形成氧化锌层，因此所得到的具有纳米碳管/氧化锌结构的材料同时具有优秀的弹性以及压电特性。并且，原子层沉积法的应用，还提高了氧化锌层覆盖于多个纳米碳管表面的均匀性。
如图2H所示，本实施例的压电元件2中，第一导电层21以及第二导电层22与压电块3之间为并联式接法(即，第一导电层21以及第二导电层22的表面是与压电块3中的纳米碳管23大致排列方向垂直)。而当并联长度L1超过1mm时，本实施例的压电元件2所测得的电流可达到1μA以上。
此外，经由实验测试电流结果可知，本发明所制得的压电元件所得到的单一元件的电流可达到约1.5微安培(μA)以上(如图3所示)，是现有压电元件的电流约106倍，而此为现有技术所无法达成。此外，若经由元件间的串并联，可更提升整体压电输出的电压(高于1V)与电流(高于1mA)。该支撑材料可用以连结该些纳米碳管，使纳米碳管间黏着并形成一软性可挠曲薄膜更增加元件的寿命。因此，可证实本发明的压电元件具有非常优秀的压电特性以及耐用性。
[实施例2]
请参阅图4A-图4F，其是本实施例的压电元件制备流程图。首先，(a)提供一基板20(如图4A所示)；接着(b)形成多个纳米碳管23于基板20的表面(如图4B所示)。本实施例中，所使用的基板20为硅基基板。
并接着，(c)形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面(如图4C所示)。在此，是使用原子层沉积法将氧化锌层24形成于多个纳米碳管23的表面。并且，(c0)重复步骤(c)中的形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面的步骤800次(图未示)，使氧化锌层24的总厚度达到预定值(约
)。
接着，(d)使用真空渗透法，填充一支撑材料25于表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间(如图4D所示)。在此，该支撑材料25为聚对二甲基苯。并接着，(d1)电浆蚀刻支撑材料25，使此些表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23显露出来(如图4E所示)。
最后，(e)移除基板20(如图4F所示)，而得到本实施例的压电元件2。其中，多个纳米碳管23、氧化锌层24、以及支撑材料25形成一压电块3。
如图4F所示，本实施例的压电元件2包括有：多个纳米碳管23、氧化锌层24(压电陶瓷层)、以及支撑材料25，氧化锌层24覆于多个纳米碳管23的表面，支撑材料25配置于表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间，使支撑该些纳米碳管23。其中，表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23之间是排列呈现一梳状，配置于多个纳米碳管23表面的氧化锌层24为互相电性耦接，且多个纳米碳管23、氧化锌层24、以及支撑材料25形成一压电块3。
[实施例3]
以相同于实施例2中所述的方法制备一压电块3(如实施例3的步骤(a)至步骤(e))，如图4A至图4F所示。接着，如图5所示，进行步骤(f1)：分别形成第一导电层21以及第二导电层22于压电块3的二个侧表面33，34，并使第一导电层21以及第二导电层22分别与压电块3中的氧化锌层24电性耦接。
如图5所示，本实施例的压电元件2中，第一导电层21以及第二导电层22与压电块3之间为串联式接法(即，第一导电层21以及第二导电层22的表面是与压电块3中的纳米碳管23大致排列方向平行)。而当串联长度L2超过2.5mm时，本实施例的压电元件2所测得的电压可达到1V以上。
[实施例4]
请参阅图6A-图6D，其是本实施例的压电元件制备流程示意图。首先，(a)提供一基板20(如图6A所示)；接着(b)形成多个纳米碳管23于基板20的表面(如图6B所示)。本实施例中，所使用的基板20为硅基基板。
并接着，如图6C所示，(c)形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面。其中，氧化锌层24之间是互相电性耦接。在此，是使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而将氧化锌层24形成于多个纳米碳管23的表面。并且，(c0)重复步骤(c)中的形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面的步骤800次，使氧化锌层24的总厚度达到预定值(约
)。
接着，如图6D所示，(d)形成一第一导电层21于表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23上。
如图6D所示，本实施例的压电元件2包括有：基板20、第一导电层21、多个纳米碳管23、以及氧化锌层24。多个纳米碳管23是设于基板20上，多个纳米碳管23是配置于基板20与第一导电层21之间，且多个纳米碳管23之间是排列呈现一梳状。氧化锌层24位于基板20与第一导电层21之间并覆于多个纳米碳管23的表面。
[实施例5]
请参阅图7A-图7E，其是本实施例的压电元件制备流程图。首先，如图7A-6C所示，(a)提供一基板20，接着(b)形成一第一导电层21于基板20的表面，接着(c)形成多个纳米碳管23于第一导电层21的表面，并接着使用原子层沉积法(d)形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面，接着(d0)重复步骤(d)中的形成氧化锌层24于多个纳米碳管23的表面的步骤1000次，使氧化锌层24的总厚度达到预定值(约
)。本实施例中，所使用的基板20为石英基板，而第一导电层21使用的材料为钛金合金。
最后，如图7D所示，形成一具有不平整表面的第二导电层22于该表面覆有氧化锌层24的多个纳米碳管23上。本实施例中，第二导电层22使用的材料为钛金合金。
如图7D所示，本实施例的压电元件2包括有：基板20、一第一导电层21、一第二导电层22、多个纳米碳管23、以及氧化锌层24。第二导电层22是设于基板20上，多个纳米碳管23设于第二导电层22上，且多个纳米碳管23之间排列呈现一梳状。氧化锌层24位于基板20与第一导电层21之间并覆于多个纳米碳管23的表面，且多个纳米碳管23是经由此氧化锌层24而互相电性耦接。
本实施例中，当未施与机械性压力于第一导电层21时，纳米碳管的顶端232不与第一导电层21接触(如图7D所示)。但当施与机械性压力于该第一导电层21时，纳米碳管23的顶端232才与第一导电层21接触(如图7E所示)。接着，当纳米碳管23的顶端232与第一导电层21接触后，继续施予机械性压力于第一导电层21时，纳米碳管23会产生形变(如图7F所示)，而使第一导电层21以及第二导电层22间产生电压差、或电流等，而具有压电特性。
综上所述，本发明利用了纳米碳管的弹性(纳米碳管本身并不具有压电特性，但其相较于氧化锌纳米线具有极佳的弹性)，并于纳米碳管表面形成氧化锌层，因此所得到的具有纳米碳管/压电陶瓷结构的材料可同时具有优秀的弹性、元件寿命以及压电特性的优点。并且，经由实验测试电流结果可知，当元件尺寸为2.5mm(串联长度)x1mm(并联长度)x1mm(元件高度)时，本发明的压电元件所得到的单一元件的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约106倍(现有压电元件的电流大约仅为10-12-10-9安培左右)，而电压可达1V以上，是现有压电元件的电压约10至100倍，而此为现有技术所无法达成。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流是取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(高于1V)与电流(高于1mA)。本发明的压电元件的应用范围非常广泛，除了生化医疗用途、风力或潮汐发电装置、无线感应器、个人化电子产品等，亦可应用于微米或纳米级的装置中，如纳米机器人(nanorobots)、纳米装置等，且相较于现有的纳米压电元件，本发明的压电元件更具有高信赖性的优点。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (18)
1.一种压电元件，其特征在于，包括：
多个纳米碳管；
至少一压电陶瓷层，覆于该多个纳米碳管的表面，其中，该多个纳米碳管表面的该压电陶瓷层的厚度为
至
之间；以及
一支撑材料，配置于该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间，使支撑该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管；
其中，该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间排列呈现一梳状，该配置于多个纳米碳管表面的压电陶瓷层为互相电性耦接，且该多个纳米碳管、该至少一压电陶瓷层、以及该支撑材料形成一压电块，且当该压电元件尺寸的串联长度为2.5mm；并联长度为1mm；以及元件高度为1mm时，该压电元件所得到的电流达到1.5微安培以上。
2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，还包括一第一导电层以及一第二导电层，该第一导电层以及该第二导电层分别配置于该压电块的相对二表面，且该第一导电层以及该第二导电层分别与该压电块中的该压电陶瓷层电性耦接。
3.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，该支撑材料为一高分子材料。
4.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，该支撑材料选自由：聚对二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromellitic dianhydride)、聚亚酰胺(polyimide)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、铁弗龙(Polytetrafluoroethene，Teflon)、及其混合所组成的群组。
5.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，该多个纳米碳管表面的该压电陶瓷层的材料为氧化锌或氮化铝。
6.一种压电元件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(a)提供一基板；
(b)形成多个纳米碳管于该基板的表面；
(c)形成至少一压电陶瓷层于该多个纳米碳管的表面，并使该压电陶瓷层之间互相电性耦接，其中，该压电陶瓷层经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)而形成于该多个纳米碳管的表面；
(d)填充一填充材料于该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间，且该压电陶瓷层的总厚度为
至
之间；以及
(e)移除该基板，其中，该多个纳米碳管、该至少一压电陶瓷层、以及该填充材料形成一压电块。
7.如权利要求6所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(d)之后还包括一步骤(d1)：电浆蚀刻(plasma etching)该填充材料，使显露该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管。
8.如权利要求6所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(d)之后还包括一步骤(d2)：形成一第一导电层于该填充材料及该多个纳米碳管上，且该步骤(e)之后还包括一步骤(f)：形成一第二导电层于该压电块上，并使该第一导电层以及该第二导电层配置于该压电块的相对二表面。
9.如权利要求6所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(c)后还包括一步骤(c0)：重复该步骤(c)1至2000次。
10.如权利要求7所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(c)中，该压电陶瓷层的材料为氧化锌或氮化铝。
11.一种压电元件，其特征在于，包括：
一基板；
一第一导电层；
多个纳米碳管，其设于该基板上，该多个纳米碳管配置于该基板与该第一导电层之间，且该多个纳米碳管之间排列呈现一梳状；以及
至少一压电陶瓷层，位于该基板与该第一导电层之间并覆于该多个纳米碳管的表面，且该多个纳米碳管经由该压电陶瓷层而互相电性耦接，其中，该多个纳米碳管表面的该压电陶瓷层的厚度为
至
之间；且当该压电元件尺寸的串联长度为2.5mm；并联长度为1mm；以及元件高度为1mm时，该压电元件所得到的电流达到1.5微安培以上。
12.如权利要求11所述的压电元件，其特征在于，还包括一第二导电层，配置于该基板上，且该多个纳米碳管设于该第二导电层上。
13.如权利要求11所述的压电元件，其特征在于，该多个纳米碳管表面的该压电陶瓷层的材料为氧化锌或氮化铝。
14.一种压电元件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(a)提供一基板；
(b)形成多个纳米碳管于该基板的表面；
(c)形成至少一压电陶瓷层于该多个纳米碳管的表面，并使该压电陶瓷层之间互相电性耦接，其中，该压电陶瓷层经由使用原子层沉积法而形成于该多个纳米碳管的表面；以及
(d)形成一第一导电层于该表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管上，其中，该多个纳米碳管表面的该压电陶瓷层的总厚度为
至
之间。
15.如权利要求14所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(a)与步骤(b)之间还包括一步骤(a1)：形成一第二导电层于该基板的表面，使该多个纳米碳管位于该第一导电层与该第二导电层之间，且该多个纳米碳管的一端与该第二导电层连接。
16.如权利要求14所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(c)中，该纳米碳管表面的该压电陶瓷层于进行原子层沉积法一次循环后的厚度为
至
之间。
17.如权利要求14所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该步骤(c)后还包括一步骤(c0)：重复该步骤(c)1至2000次。
18.如权利要求14所述的压电元件的制备方法，其特征在于，该压电陶瓷层的材料为氧化锌或氮化铝。
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