CN102868233A

CN102868233A - 一种纳米发电机

Info

Publication number: CN102868233A
Application number: CN2011101964918A
Authority: CN
Inventors: 李梦轲; 张竞; 王军艳; 冯秋菊; 耿渊博; 姜春华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种利用ZnO、Ga₂O₃或SnO₂等半导体纳米棒、线或带的阵列构建的新型纳米发电机。系统由一个取向半导体纳米阵列A、金属电极B、连接纳米阵列A与金属电极B的两根金属导线C组成。纳米阵列A与金属电极B接触放置，纳米阵列A由半导体纳米线组成，电极B由功函大于半导体材料A的金属片、金属纳米线组成，C由普通金属导线组成。本发明利用电磁感应原理，系统C的两根金属导线形成可感应高频交变电磁信号的对称振子天线，半导体纳米阵列A与金属电极B间形成肖特基接触，可等效为一个检波二极管。当空间中的各种微波电磁信号辐照该系统时，系统C的两根对称振子天线就可接收空间微波辐射信号，并利用等效检波二极管的整流特性，将交变电流转换为直流电流单向输出。

Description

一种纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米发电和电源技术领域，特别涉及一种由ZnO等半导体纳米棒、线或带的阵列和金属电极接触后形成肖特基接触，利用外部金属连接线形成的对称振子天线感应接收电磁波原理构建的纳米发电机。

背景技术

目前发电系统的发电方式主要是水力发电、火力发电、太阳能发电、化学能发电、核燃料发电等，这些发电方式不但会消耗大量的自然资源、造成大量的污染，也会因发电资源和电流在运输过程中存在大量损失，增加发电和用电成本。随着当代微电子、纳电子产品的逐渐普及和小型化，电子产品的尺度和功耗也越来越低，电池的设计尺度也越来越小。为了解决即将到来的微电子、纳电子产品所需的新型长寿命电源问题，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只涉及到如何利用ZnO纳米半导体材料的压电特性将自然界中存在的各种机械振动能转化为电能，这些机械能形式仅局限在运动、振动、流体流动等能量形式范畴，同时，此类纳米发电机运行条件比较苛刻，阵列中的纳米棒、线或带在不均匀机械外力或振动的长时间作用下，也会造成纳米半导体棒、线或带的机械损伤，这必然会大大缩短此类发电机的工作寿命。

信息时代的最显著特点就是电磁微波辐射形成的能量辐射弥漫空间，各种微纳机电系统在工作中不断地接收、发射各种频段的电磁波，其对人体的危害也越来越受到关注，如何减少、利用电磁微波辐射，化害为利，造福人类也是当今科学家面临的一个重要课题。

发明内容

为解决现有纳米发电机技术中存在的运行条件苛刻、电机工作寿命短、工艺组装要求高等问题，本发明提出了一种运行环境较宽松、电机持续寿命较长、工艺实现相对简单且可利用空间电磁波的辐射能量进行发电的纳米发电机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种纳米发电机包括一个纳米阵列A(1)和金属电极B(2)、一个金属支撑基片A(3)、一个利用弹簧或其他弹性约束片固定A(1)和金属电极B(2)的外壳(4)和两根导线C(5)组成；所述的纳米阵列A(1)由半导体纳米线组成，可通过化学、物理生长工艺直接生长在金属支撑基片A(3)上，并与A(3)形成欧姆接触；电极B(2)由金属片、金属纳米线阵列组成；所述的纳米阵列A(1)和金属电极B(2)利用弹簧或其他弹性约束片固定在外壳(4)里，所述的两根导线C(5)分别连接在金属支撑基片A(3)和金属电极B(2)上，并与外部用电装置(6)连接。

本发明所述的金属电极可由金属纳米线组成，或者就是功函大于半导体材料A的金属片、金属纳米线(比如Zn、Au、Al等)。

本发明所述的半导体纳米线可用半导体纳米带或半导体纳米棒代替。

本发明所述的半导体纳米线阵列A由ZnO或Ga₂O₃或SnO₂等半导体纳米阵列材料制成。可直接生长在金属支撑基片A(3)上，并与A(3)形成欧姆接触。

本发明利用电磁感应定律，连接金属电极A和金属电极B的两根导线相当于接收信号的对称振子天线，对于固定长度的天线，空间中的各种高频交变电磁信号和电磁微波辐射信号通过对称振子天线感应出交流电流，且对称振子的电流分布为连续，振子的终端为电流节点。本发明纳米发电机中的半导体纳米阵列A与金属电极B间形成的肖特基接触，可等效为一个检波二极管，具有单向导通的整流特性。此检波二极管就可将等效的对称振子天线中感应出的交变电流转换为直流电流输出，从而达到将空间中的各种高频交变电磁信号和电磁微波辐射信号转换为电能的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用一个具有电极化特性的半导体纳米阵列A，并在其上放置一个与之接触的金属电极B，通过两根金属连接线组成纳米发电机基本单元。在外界微波或其他高频电磁信号激励下，通过电磁感应，在纳米发电机基本单元中感应出交变电流，最后利用半导体纳米线阵列A与金属电极B间形成的肖特基接触形成的二极管的整流特性，将感应出的交变电流转换为直流电流输出，将空间中的各种高频交变电磁信号能转换为电能输出。

依照半导体与金属间的接触理论，当金属材料的功函数大于N型半导体材料功函数时，金属材料表面和N型ZnO等半导体接触面间将形成肖特基接触，可等效为一个单向导通的 PN结。当空间中的各种高频交变电磁信号通过电磁感应在在外接导线上感应出交变电流时，这个等效的PN结就类似一个检波二极管，可使两根外接导线上感应出的交变电流经过半波整流后向外电路输出，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形式输出，产生足够的电能，以此驱动或控制外部纳米器件或系统等负载。此外，利用此装置对交变电磁辐射源信号场的电场E的极化方向、距离、功率大小的敏感特性，还可对交变电磁信号大小和方向进行分析检测，也可利用该装置将电能储存在各种电池中。

2、本发明利用ZnO等N型半导体纳米阵列与金属接触时形成的肖特基接触特性及电磁感应特性制备出了可将空间中各种高频电磁微波辐射能转化为电能的纳米发电机。通过控制连接半导体纳米线阵列A与金属电极B间的导线的长度，就可调制纳米发电机对外界高频交变电磁信号的最佳感应频率，从而使输出电流达到最佳。因纳米电机是将高频或甚高频电磁波信号直接转换为电流，最后通过检波二极管检波，以直流电流形式向外界输出。在两根导线中感应出的电流频率也与高频或甚高频电磁波信号相同，通过检波二极管检波后，其单位时间段内的平均电流值也就相对稳定。

3、本发明产品结构简单，加工制作容易，体积小，工作寿命长，其核心部件为一个半导体纳米阵列、一个金属片状电极及两根连接导线。纳米阵列可采用化学和物理的方法直接生长在导电的金属基片上。本发明的纳米发电机可随意安装、固定在各种微电子产品如手机、电子表、传感器和各种微电子系统上，通过电磁感应将空间中的交变电磁信号转化成电能，直接进行发电，产生的电能可以支持各种微纳电子产品待机或工作，也可将转化的交变电磁信号辐射能储备起来，为微电池充电。这种新型发电机与压电纳米发电机不同，不必通过机械外力，让半导体纳米线形成较大的机械形变产生电能，只是利用半导体的电极化效应及电磁感应现象，先在两根连接导线上产生感应电流，并通过金属片状电极与半导体接触面间形成的肖特基结的整流效应，源源不断的输出电能，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。例如：这种纳米发电机可直接安装在手机等用电系统上，在手机待机、通话的同时就可接收电磁辐射进行发电，并存储于电池中，同时，通过人为改变连接金属接触片和纳米半导体阵列的两根导线的长度，即改变振子天线的长度L，如可使L分别等于1λ，0.5λ，0.4λ，0.25λ，0.05λ等，就可调制外部电磁信号与纳米电机之间的最佳感应频率，使这种纳米发电机对各种交变电磁信号源都有较好的电磁感应特性。本发明在即将到来的微纳电子器件和微机电结构时代有重要的应用前景。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1为纳米发电机结构示意图。

图2为纳米发电机发电系统组成示意图。

图中，1、纳米阵列A，2、金属电极B，3、支撑基片，4、带弹簧或弹性约束片的外壳，5、两根金属导线，6、外部用电装置，7、单根纳米线A，8、外界交变电磁场，9、PN结，10、纳米发电机，11、外界交变电磁场在导线上感应电流强度分布。

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，一种纳米发电机包括两个端部彼此相互接触且相对放置的纳米阵列A1和金属电极B2、一个金属支撑基片A3、带弹簧或弹性约束片的外壳4和两根外接金属导线5；所述的纳米阵列A1由半导体纳米线组成，可通过化学、物理生长工艺直接生长在金属支撑基片A3上；所述的金属电极B2由功函大于纳米阵列A1的金属片或金属纳米阵列组成；所述的纳米阵列A1和金属电极B2利用弹簧或弹性约束片固定在外壳4里，所述的两根外接金属导线5为两根导电的金属线，可等效为接收外部电磁信号的对称振子天线，分别固定在金属支撑基片3和金属片B2上，并与外部用电装置6连接。所述的半导体纳米线由ZnO或Ga₂O₃或SnO₂等具有电极化特性的半导体纳米阵列材料制成。

本发明所述的金属电极B2可由由功函大于纳米阵列A1的金属片或金属纳米线组成。

本发明所述的金属导线材料可为锌、铝、铜等金属材料构成。

本发明所述的纳米阵列A1由半导体纳米线组成，可直接生长在金属支撑基片A3上，并与A3形成欧姆接触。

图2所示为采用本发明的一个发电系统，包括交变电磁场8、纳米发电机10、外接线路5、外部用电装置6。在外界交变电磁场8作用下，连接纳米半导体阵列及上端金属电极B2的两根金属导线即可感应出交变电流11，电流强度在两根金属导线的分布如图所示。

发电机10下部的单根半导体纳米线7与上部金属电极B2间将形成肖特基接触，可等效为一个检波二极管9，即可将两根金属导线感应出的交变电流11不断整流输出，最终将外界交变电磁辐射能转换为电能输出到用电装置6，驱动外部用电装置6工作；也可通过外接线路5(两根大小相同的导线相当于对称振子天线)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信号的强度和方向性进行检测；或通过外接线路5连接到储电装置模块，储存电能以备使用。

Claims

1.一种纳米发电机，其特征在于：包括一个纳米阵列A(1)和金属电极B(2)、一个金属支撑基片A(3)、一个利用弹簧或其他弹性约束片固定A(1)和金属电极B(2)的外壳(4)和两根外接导线C(5)；所述的纳米阵列A(1)由半导体纳米线组成，通过化学、物理生长工艺直接生长在金属支撑基片A(3)上；电极B(2)由金属片、金属纳米线阵列组成；所述的纳米阵列A(1)和金属电极B(2)利用弹簧或其他弹性约束片固定在外壳(4)里，纳米阵列A(1)和金属电极B(2)之间的接触力可利用弹簧或其他弹性约束片调节。所述的外接导线C(5)分别连接在金属支撑基片A(3)和金属电极B(2)上，并与外部用电装置(6)连接。

2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于：电极B(2)由功函大于半导体纳米阵列A(1)的金属片或者金属纳米线阵列组成。纳米阵列A(1)与金属电极B(2)接触放置即可。其中镀金属膜的纳米线阵列，可采用普通的镀膜工艺，将Zn、Au、Al等功函大于半导体纳米阵列A(1)的金属直接镀在纳米阵列上即可。

3.根据权利要求1或2所述的纳米发电机，其特征在于：所述的半导体纳米线可以用半导体纳米带或半导体纳米棒代替。

4.根据权利要求1或2所述的纳米发电机，其特征在于：所述的半导体纳米线由ZnO或Ga₂O₃或SnO₂等半导体纳米阵列材料制成。

5.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于：所述的金属片、金属纳米线阵列为铝、金、铂等能与ZnO或Ga₂O₃或SnO₂等N型半导体纳米线形成肖特基接触特性的金属材料。

6.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于：所述的纳米阵列A(1)由半导体纳米线组成，可通过化学、物理生长工艺直接生长在金属支撑基片A(3)上，并与A(3)形成欧姆接触。

7.根据权利要求1所述的纳米发电机是利用电磁感应原理，连接金属电极A和金属电极B的两根金属导线C相当于一对对称振子天线，当振子天线的长度一定时，在外界微波电磁信号辐照下就可感应出电流，且对称振子的电流分布为连续，振子终端应为电流节点。该对称振子天线可接收感应高频交变电磁信号，并在对称振子天线中感应出交变电流。

8.根据权利要求1所述的纳米发电机的半导体纳米阵列A与金属电极B间可形成肖特基接触，可等效为一个检波二极管，具有单向导通的整流特性。可将两根金属导线C感应出的交变电流转换为直流电流输出。

9.纳米发电机中所用的取向半导体纳米线阵列A(1)采用价格低廉，方法简单的水热合成法制备，该法便于制造，所用生产条件简单，试剂价格便宜，便于大规模制造。纳米发电机中所用的金属片或金属纳米线阵列可直接采用功函大于半导体纳米阵列A(1)的普通便宜金属材料(如Zn、Al等)，可大大降低纳米发电机的制造成本。