CN102832334A - 一种对峙型纳米发电元器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源器件技术领域，涉及一种对峙型纳米发电元器件制备方法，包括下列步骤：（1）在衬底材料上，生成一层金属Zn薄膜层；（2）置于加热炉中，加温至超过超过金属Zn熔点的温度以上，并保温一段时间，使金属Zn薄膜层的上表面生成ZnO纳米阵列；（3）冷却；（4）在生成了大量ZnO纳米阵列的表面再喷镀Au，形成带有锯齿状电极的薄膜层；（5）将经过上述处理得到的带有锯齿状电极的薄膜层对接，使得位于内部的两层锯齿状电极相互接触，从相互接触的锯齿状电极处引出一根导线；（6）带有锯齿状电极的薄膜层对接后，两个外表面均为金属Zn薄膜层，再在相连的两个外表面喷镀Ag电极，从Ag电极处再引出一根导线，制得对峙型纳米发电元器件。本发明具有工艺简单、成本较低的优点。
Description
所属技术领域
本发明属于能源器件技术领域，涉及一种纳米发电元器件的制备方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物,它既是性能优良的压电、热电和铁电材料,同时也是一种新型的宽禁带半导体材料。由于ZnO光增益系数高于GaN，在制备紫外光发光二极管和室温半导体激光器方面具有重要的潜在应用价值,这使ZnO迅速成为短波半导体激光器件材料研究的国际热点。ZnO还被广泛应用于诸如太阳能电池、声表面波器件、液晶显示、气敏器件、压敏器件等。随着纳米科技的发展,ZnO纳米结构与体材料相比具有更优异的性能。目前已经制备了许多不同形貌的ZnO一维纳米材料,并在激光、场发射、光波导、非线性光学等领域上有了新的用途。
机械能是日常生活中最广泛和最丰富的能源之一，机器震动、引擎转动、身体运动、血液流动甚至呼吸心跳等都是机械能的表现形式。如果能将这些耗散的机械能转化成电能，那么电子器件或系统将能够在无外接电源的条件下，从环境中采集能量并长时间地工作，实现自驱动的纳米系统。这不仅有着极大的科学意义，也将会对未来人类生活产生深远的影响。
纳米发电机正是利用ZnO纳米线的压电特性与半导体特性制成的能把无序的、混乱的随机微小的机械能收集、整理成为有序的电能的装置。
中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院王中林教授是国际纳米材料、纳米科技与电子显微学领域的著名科学家。他的研究具有原创性、前瞻性和引领性。十多年来，他在纳米材料可控生长、表征和应用，以及电子显微学基础科学和应用等方面取得了一系列具有国际重要影响力的科技成就。在过去6年中，他领导的纳米研究小组一直致力于研发基于新型纳米材料的能源转化和利用，实现了从概念到理论．再到工艺，直至技术应用的持续和飞跃式发展。
2006年，王中林小组研制成功了首个纳米发电机，这种基于ZnO纳米线压电特性和半导体特性的纳米发电机由于结构简单，存在着诸如输出功率小，电极磨损率高，寿命短，性能不稳定等缺点。
自从发明纳米发电机后，王中林小组相继发明了超声波驱动直流纳米发电机、纤维纳米发电机，以及在柔性衬底上的低频率振动交流纳米发电机。然而，输出电压小一直是限制这些纳米发电机实际应用于纳米科技领域的一个瓶颈问题。为了攻克这一技术难题，小组成员徐升、秦勇和许晨等，在两年的时间里经过上千次实验，研制出基于竖直ZnO纳米线阵列的多层交流发电机，以及基于水平ZnO纳米阵列的多排交流发电机。其中，当三层竖直ZnO纳米线阵列交流发电机相互串联连接时，输入电压可提高到0.243伏特。这个值接近二极管的阈门电压，使得输出电荷的储存成为可能。与此同时，运用低温水热分解方法，通过巧妙的实验设计和组装，研究小组在一般的柔性基底上成功合成出700余列生长方向和晶格取向都平行排列的水平ZnO纳米阵列。这些水平纳米线相互串并联连接在一起，在仅仅0.19%的慢性形变下，就将输出电压提高到1.26伏特。王中林认为，这一突破性进展将极大推动纳米发电机在纳米科技领域的实际应用。
此外，在这两种不同构型的交流纳米发电机中，ZnO纳米线的两端都与输出电机紧密接触，避免了纳米线与电极之间的摩擦和损耗，从而大大提高了发电机的稳定性和寿命。而交流纳米发电机被封装在弹性材料中，又大大拓展了它的工作环境和应用范围。王中林说，这种三维设计的多层纳米发电机也为未来大规模实际应用提供了一条可行的实施方案，如收集风能、潮汐能、引擎的转动、空调或其他机器运转时的机械能、人行走时肌肉的伸缩能或脚对地面的压缩能，甚至在人体内由于呼吸、心跳或血液流动带来的体内某处压力的细微变化而产生的机械能等。
ZnO纳米发电机的研究已经进行的相当深入，但是纳米发电机复杂的工艺和偏高的成本限制了它的广泛应用。目前王中林教授关于纳米发电机的研究中，是用化学方法制作ZnO纳米线阵列，并在阵列中填充有机填充物来制作纳米发电机，这种方法还需要制作锯齿状电极，因此工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种工艺简单、成本较低的一种纳米发电元器件制备方法。本发明采用直接加热法制备ZnO纳米线阵阵列，并且不填充有机物，采用两块纳米线阵列对接的方式代替原有的锯齿状电极，从而制备出ZnO纳米发电机，具有工艺简单，成本更低的优点。本发明的技术方案如下：
一种对峙型纳米发电元器件制备方法，包括下列步骤：
（1）在衬底材料上，生成一层金属Zn薄膜层；
（2）置于加热炉中，加温至超过超过金属Zn熔点的温度以上，并保温一段时间，使金属Zn薄膜层的上表面生成ZnO纳米阵列；
（3）冷却；
（4）在生成了大量ZnO纳米阵列的表面再喷镀Au，形成带有锯齿状电极的薄膜层；
（5）将经过上述处理得到的带有锯齿状电极的薄膜层对接，使得位于内部的两层锯齿状电极相互接触，从相互接触的锯齿状电极处引出一根导线；
（6）带有锯齿状电极的薄膜层对接后，两个外表面均为金属Zn薄膜层，再在相连的两个外表面喷镀Ag电极，从Ag电极处再引出一根导线，制得对峙型纳米发电元器件。
本发明的有益效果如下：
a.工艺简单
氧化锌纳米线阵列均采用直接加热法生成，无需繁琐的工艺。采用两块纳米线阵列对接的方式代替原有的锯齿状电极，省去了制作锯齿状电极的步骤，工艺简化。
b.成本低
由于工艺简单，所需设备较少，因此具有更低的成本。可以大规模生产。
c.可以图形化
由于本发明中的氧化锌纳米线阵列是采用直接加热法生成，因此可以将金属Zn基底图形化，这样长出的纳米线阵列也可以图形化，从而将纳米发电机图形化。这样，就可以以人为本，根据需求设计发电机的形状，更加方便，更加人性化。
附图说明
图1本发明的纳米发电机的组装过程如图1。
附图说明如下：
1金属Zn片 2ZnO纳米阵列 3Au电极 4Ag电极
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1，在Si衬底材料上，利用磁控溅射工艺实现金属Zn薄膜层1的制备，厚度最好大于0.5μm，之后在氧化气氛中缓慢升温，使其加热至超过金属Zn熔点的温度419℃以上，使得样品表面产生大量ZnO纳米阵列结构2。取出样品冷却后，在样品表面喷镀Au电极3；将单层的喷镀Ag电极后的纳米阵列ZnO一端对接在一起，由于两端都具有锯齿状的电极。对接完成后，将两端的Zn薄膜层上喷镀的Ag电极4连在一起，引出一条导线，同时ZnO一端的Au电极3上引出另一条导线制成ZnO纳米发电元器件。使用发电元器件的时候，只需要将负载连接到两个导线之间即可。
本发明的一个实施例如下：
（1）在Si衬底上，利用磁控溅射工艺,溅射一层厚度为1μm的金属Zn薄膜层；
（2）将样品置于箱式电阻炉中，以10℃/min的速度加热至500℃，保温120min，，使得样品表面产生大量ZnO阵列结构；
（3）取出样品冷却后，在样品表面喷镀Ag电极100nm厚；
（4）将单层的喷镀Ag电极后的纳米阵列ZnO一端对接在一起，由于两端都具有锯齿状的电极。对接完成后，将两端的Zn上喷镀的Ag电极连在一起，引出一条导线，同时ZnO一端的Au电极上引出另一条导线。使用发电元器件的时候，只需要将负载连接到两个导线之间即可。
Claims (1)
1.一种对峙型纳米发电元器件制备方法，包括下列步骤：
（1）在衬底材料上，生成一层金属Zn薄膜层；
（2）置于加热炉中，加温至超过超过金属Zn熔点的温度以上，并保温一段时间，使金属Zn薄膜层的上表面生成ZnO纳米阵列；
（3）冷却；
（4）在生成了大量ZnO纳米阵列的表面再喷镀Au，形成带有锯齿状电极的薄膜层；
（5）将经过上述处理得到的带有锯齿状电极的薄膜层对接，使得位于内部的两层锯齿状电极相互接触，从相互接触的锯齿状电极处引出一根导线；
（6）带有锯齿状电极的薄膜层对接后，两个外表面均为金属Zn薄膜层，再在相连的两个外表面喷镀Ag电极，从Ag电极处再引出一根导线，制得对峙型纳米发电元器件。
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