CN103475262A - 压电和摩擦电混合纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电和摩擦电混合纳米发电机，属于纳米技术领域。该纳米发电机包括：第一高分子聚合物绝缘层；第一电极，位于第一高分子聚合物绝缘层的表面上；第二高分子聚合物绝缘层；第二电极，位于第二高分子聚合物绝缘层的表面上；居间薄膜，位于第一和第二高分子聚合物绝缘层之间；第一压电纳米线阵列，垂直生长在第一电极上；第三高分子聚合物绝缘层，覆盖在第一压电纳米线阵列上；第三电极，位于第三高分子聚合物绝缘层的表面上；第二压电纳米线阵列，垂直生长在第二电极上；第四高分子聚合物绝缘层，覆盖在第二压电纳米线阵列上；第四电极，位于第四高分子聚合物绝缘层的表面上。采用本发明提供的纳米发电机能大大提高发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，更具体地说，涉及一种压电和摩擦电混合纳米发电机。
背景技术
纳米技术也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。纳米科学的概念是在20世纪80年代初提出的，现如今纳米技术已经被广泛应用到材料、机械、电子、生物、医药等诸多领域。其中，纳米发电机是纳米技术的一种新型应用，它利用氧化锌纳米棒阵列的半导体和压电性质，在纳米尺度范围内将机械能转换为电能，从而输出直流电流。纳米发电机可以利用的机械能包括机械振动、风动能、水流的动能以及肌肉伸缩的能量。纳米发电机的发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统。
但是，现有的纳米发电机存在许多不足之处，主要表现在其输出电流或单位面积的输出功率不是很高，导致它的发电效率较低。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种压电和摩擦电混合纳米发电机，用以提高发电效率。
本发明提供了一种压电和摩擦电混合纳米发电机，包括：
第一高分子聚合物绝缘层；
第一电极，位于所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
第二高分子聚合物绝缘层；
第二电极，位于所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
居间薄膜，其一侧表面设有微纳凹凸结构，所述居间薄膜设有微纳凹凸结构的一侧与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，所述居间薄膜未设有微纳凹凸结构的一侧与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面固定；
第一压电纳米线阵列，垂直生长在所述第一电极上；
第三高分子聚合物绝缘层，覆盖在所述第一压电纳米线阵列上；
第三电极，位于所述第三高分子聚合物绝缘层的表面上；
第二压电纳米线阵列，垂直生长在所述第二电极上；
第四高分子聚合物绝缘层，覆盖在所述第二压电纳米线阵列上；
第四电极，位于所述第四高分子聚合物绝缘层的表面上；
所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极是所述压电和摩擦电混合纳米发电机的输出电极。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层、所述第四高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质各不相同。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层的材质相同，但与所述居间薄膜的材质不同。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层分别选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一种，所述居间薄膜选自其中与所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层不同的另外一种。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第三高分子聚合物绝缘层、第三电极、第四高分子聚合物绝缘层、第四电极均为柔性平板结构，它们通过弯曲或变形造成压电发电和摩擦起电。
进一步的，所述居间薄膜一侧表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。
进一步的，所述居间薄膜一侧表面的微纳凹凸结构为有规则的凹凸结构，所述凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中的任意一种。
进一步的，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极为金属薄膜，所述金属薄膜选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的任意一种。
进一步的，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；所述居间薄膜的厚度为50μm-100μm；所述微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
本发明提供的压电和摩擦电混合纳米发电机在结构上包括摩擦电发电机部分和两个压电发电机部分，相当于在单个混合纳米发电机中实现三个纳米发电机的并联，总的输出电流以并联的方式被增强，大大提高了纳米发电机的发电效率。
附图说明
图1示出了本发明提供的压电和摩擦电混合纳米发电机一实施例的截面示意图；
图2a示出了用于制作本发明的居间薄膜的图形化的硅模板的结构示意图；
图2b示出了在图2a的硅模板上涂敷了本发明的居间薄膜的示意图；
图2c至图2e示出了不同图形化的硅模板以及通过其制作出的具有不同形状的微纳凹凸结构的居间薄膜的分解示意图；
图3a至图3c示出了本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机中具有微纳凹凸结构的居间薄膜的示意图；
图4示出了图1所示的压电和摩擦电混合纳米发电机弯曲时的截面示意图；
图5示出了图1所示的压电和摩擦电混合纳米发电机与外电路连接的示意图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。
图1示出的是本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机的一种典型结构。如图1所示，本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机包括第一和第二压电发电机部分和一个位于所述第一和第二压电发电机部分之间的摩擦电发电机部分。优选地，所述摩擦电发电机部分分别与第一和第二压电发电机部分共用一个电极。如图1所示，所述摩擦电发电机部分由第一电极11、第一高分子聚合物绝缘层10、居间薄膜14、第二高分子聚合物绝缘层12和第二电极13构成。具体地，第一电极11位于第一高分子聚合物绝缘层10的第一侧表面10a上，第二电极13位于第二高分子聚合物绝缘层12的第一侧表面12a上。第一电极11和第二电极13可以为导电的金属薄膜，其可以通过真空溅射法或蒸镀法镀在相应的高分子聚合物绝缘层的表面上。居间薄膜14也是一高分子聚合物绝缘层，它位于第一高分子聚合物绝缘层10和第二高分子聚合物绝缘层12之间。居间薄膜14的一侧表面具有四棱锥型的微纳凹凸结构。其中，居间薄膜14的未设有微纳凹凸结构的一侧固定在所述第二高分子聚合物绝缘层12的第二侧表面12b上，固定的方法可以是用一层薄的未固化的高分子聚合物绝缘层作为粘结层，经过固化后，居间薄膜14将牢牢地固定于第二高分子聚合物绝缘层12上。居间薄膜14设有微纳凹凸结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层10的第二侧表面10b接触，两者之间形成一个摩擦界面。由此，最终形成一个类似三明治结构的器件，即本发明的混合纳米发电机的摩擦电发电机部分。
图1示出了具有四棱锥型的微纳凹凸结构的居间薄膜14，但居间薄膜14的微纳凹凸结构并不限于此，其还可以制作成其它形状，例如可以为如图3a所示的条纹状、如图3b所示的立方体型、如图3c所示的四棱锥型、或圆柱形等等。另外，所述居间薄膜14的微纳凹凸结构通常为有规律的纳米级至微米级的凹凸结构。
关于本发明的混合纳米发电机的摩擦电发电机部分中的居间薄膜，可以采用先制作图形化的硅模板，然后以图形化的硅模板为模具来制作居间薄膜的制作方法。下面结合图2a-2e和3a-3c具体说明。
图2a示出了用于制作本发明的居间薄膜的图形化的硅模板的结构示意图；图2b示出了在图2a的硅模板上涂敷了本发明的居间薄膜的示意图；图2c至图2e示出了不同图形化的硅模板以及通过其制作出的具有不同形状的微纳凹凸结构的居间薄膜的分解示意图。
如图2a所示的图形化的硅模板的具体制作方法如下：首先采用光刻的方法在4英寸（100）晶向的硅片表面上制作出规则的图形；然后对制作好规则的图形的硅片通过相应的刻蚀工艺，刻蚀出与微纳凹凸结构相对应的阵列结构。例如，通过湿刻的工艺进行各向异性刻蚀，可以刻蚀出凹形的四棱锥阵列结构，或者通过干刻的工艺进行各向同性刻蚀，可以刻蚀出凹形的立方体阵列结构。将刻蚀了相应形状的微纳凹凸结构的阵列结构硅片用丙酮和异丙醇清洗干净，然后将硅片在三甲基氯硅烷（例如Sigma Aldrich公司制作的）的气氛环境中进行表面硅烷化的处理，从而形成所需的图形化的硅模板，供制作居间薄膜待用。
接下来，说明如何制作具有微纳凹凸结构表面的居间薄膜。这里以选用聚二甲基硅氧烷（以下简称PDMS）材质制作居间薄膜为例，首先将PDMS前躯体和固化剂（例如Sylgard 184,Tow Corning）以10:1的质量比混合形成混合物，然后将所述混合物涂覆于例如图2a所示的制作好的图形化的硅模板表面，如图2b所示，经过真空脱气过程后，采用旋转涂覆的方式去掉涂覆于硅模板表面上的多余的混合物，以使所涂覆的混合物在硅模板表面上形成一层均匀的薄薄的PDMS液体膜。之后，将涂覆有PDMS液体膜的整个硅模板在85摄氏度的环境中固化1小时，这时一层均匀的具有特定微凹凸结构阵列的PDMS薄膜（由PDMS液体膜固化而成）就能从硅模板上剥离下来，从而形成本发明的居间薄膜，即：具有特定形状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜。
图2c-2e分别示出了利用上述方法制作出的三种不同形状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜的硅模板以及所制作出的相应的PDMS薄膜的分解示意图，其中图2c示出了具有条纹状的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜、图2d示出了具有立方体型的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜和图2e示出了具有四棱锥型的微纳凹凸结构阵列的PDMS薄膜。这三种形状的微纳凹凸结构的表面显微结构图如图3a-3c所示，每个PDMS薄膜的阵列单元（即图中的凸起）大小被限制为约10μm。具有更小尺度单元的图形阵列同样能够被制备出来，其尺度可以小到5μm，而且具有同样的高质量特征。图3a-3c示出了微纳凹凸结构的阵列单元，图中与黑色粗线（位于100μm下）同样大小的长度即表示实物100μm的长度。另外，每个图的右上方还示出了45°倾斜角度拍摄的居间薄膜的微纳凹凸结构的高放大率的SEM照片，图中与黑色粗线（位于5μm下）同样大小的长度即表示实物5μm的长度。由高分辨率的SEM照片看出，居间薄膜的微纳凹凸阵列结构都非常均匀和规则。由此可知，通过本发明的上述方法可以制备大尺度均匀的塑性微结构。另外，对于具有四棱锥型的微纳凹凸结构阵列的居间薄膜，由图3c所示可知，每个四棱锥单元都有一个完整的四棱锥的几何结构的锐利尖端，这将有利于其在发电过程中增加摩擦面积和提高纳米发电机的电能输出效率。此外，制备好的PDMS薄膜（即居间薄膜）具有很好的伸缩性和透明性。
本发明提供的混合纳米发电机的第一压电发电机部分包括第三电极17、第三高分子聚合物绝缘层16、第一压电纳米线阵列15和第一电极11，其中，该第一压电发电机部分与摩擦电发电部分共用第一电极11。具体地，第一压电纳米线阵列15垂直生长在第一电极11的一表面上，第一电极11的另一表面与第一高分子聚合物绝缘层10镀在一起，第三高分子聚合物绝缘层16覆盖在第一压电纳米线阵列15上，第三电极17位于第三高分子聚合物绝缘层16的表面。第一压电发电机部分的制作方法具体为：在如上关于摩擦电发电部分中的镀在第一高分子聚合物绝缘层10的表面上的第一电极11之上，通过射频溅射的方法镀压电材料（例如ZnO）种子层。在压电材料种子层上，采用湿化学法生长压电纳米线阵列，形成第一压电纳米线阵列15。完成第一压电纳米线阵列15的生长后，对其进行加热退火，然后通过旋涂在第一压电纳米线阵列15上覆盖高分子聚合物绝缘层，以形成第三高分子聚合物绝缘层16。最后在第三高分子聚合物绝缘层16上涂覆第三电极17。所述第三电极17也是通过射频溅射的方法将金属氧化物（例如ITO）和压电材料（例如ZnO）种子层镀在第三高分子聚合物绝缘层16上形成金属氧化物涂层而得到。
本发明提供的混合纳米发电机的第二压电发电机部分包括第四电极20、第四高分子聚合物绝缘层19、第二压电纳米线阵列18和第二电极13，其中，该第二压电发电机部分与摩擦电发电部分共用第二电极13。具体地，第二压电纳米线阵列18垂直生长在第二电极13的一表面上，第二电极13的另一表面与第二高分子聚合物绝缘层12镀在一起，第四高分子聚合物绝缘层19覆盖在第二压电纳米线阵列18上，第四电极20位于第四高分子聚合物绝缘层19的表面。第二压电发电机部分的制作方法具体为：在如上关于摩擦电发电部分中的镀在第二高分子聚合物绝缘层12的表面上的第二电极13之上，通过射频溅射的方法镀压电材料（例如ZnO）种子层。在压电材料种子层上，采用湿化学法生长压电纳米线阵列，形成第二压电纳米线阵列18。完成压电纳米线阵列的生长后，对其进行加热退火，然后通过旋涂在第二压电纳米线阵列18上覆盖高分子聚合物绝缘层，以形成第四高分子聚合物绝缘层19。最后在第四高分子聚合物绝缘层19上涂覆第四电极20。所述第四电极20也是通过射频溅射的方法将金属氧化物（例如ITO）和压电材料（例如ZnO）种子层镀在第四高分子聚合物绝缘层19上形成金属氧化物涂层而得到。
上述第一和第二压电纳米发电机部分和摩擦电发电机部分的制作方法仅为一个实施例，还可以采用其他的制作方法形成上述第一和第二压电纳米发电机部分以及摩擦电发电机部分的具体结构，本发明对此不做限制。
作为一个优选实施例，由于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层都是与居间薄膜直接接触的，只要保证第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层两者均与居间薄膜的材质不同即可。作为另一个优选实施例，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层、第四高分子聚合物绝缘层和居间薄膜的材质也可以各不相同。作为又一个优选实施例，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层和第四高分子聚合物绝缘层的材质可以相同，但均与居间薄膜的材质不同。
具体地，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层和第四高分子聚合物绝缘层分别选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一种。居间薄膜选自其中与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层不同的另外一种。
上述实施例中的第一电极11、第二电极13、第三电极17和第四电极20均为金属薄膜，金属薄膜可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的任意一种。
优选地，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层和第四高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；居间薄膜的厚度为50μm-100μm；微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
上述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第三高分子聚合物绝缘层、第三电极、第四高分子聚合物绝缘层和第四电极均为柔性平板结构，它们通过弯曲或变形造成压电发电和摩擦起电。
下面结合图4和图5分别介绍摩擦电发电机部分和两个压电发电机部分的发电原理。其中，图4示出了图1所示的压电和摩擦电混合纳米发电机弯曲时的截面示意图；图5示出了图1所示的压电和摩擦电混合纳米发电机与外电路连接的示意图。
如图5所示，对于摩擦电发电机部分，第一电极11和第二电极13是摩擦电发电机电流的输出电极，这两个电极通过电流表30而连接在一起，其中经由电流表30连接第一电极11和第二电极13的电路称为摩擦电发电机部分的外电路。如图4所示，当本发明的混合纳米发电机的各层向下弯曲时，摩擦电发电机部分中的居间薄膜14具有微纳凹凸结构的表面与第一高分子聚合物绝缘层10表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极11和第二电极13之间的电容发生改变，从而导致第一电极11和第二电极13之间出现电势差。由于第一电极11和第二电极13之间的电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧电极即第一电极11流向电势高的一侧电极即第二电极13，从而在外电路中形成电流，即在电流表30中有电流流过。当本发明的混合纳米发电机的各层恢复到原来状态时，摩擦电发电机部分中的各层恢复到其原来的平板状态，这时形成在第一电极11和第二电极13之间的内电势消失，由于整个摩擦电发电机部分内部第一电极11与居间薄膜14之间的第一高分子聚合物绝缘层10以及第二电极13与居间薄膜14之间的第二高分子聚合物绝缘层12都是绝缘结构，该绝缘结构可以防止自由电子在摩擦电发电机部分内部中和，此时已平衡的第一电极11和第二电极13之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路从第二电极13回到原来的一侧电极即第一电极11，从而在外电路中形成反向电流。这就是摩擦发电机部分的发电原理。如图5所示，对于第一压电发电机部分，第一电极11和第三电极17是其电流的输出电极，第一电极11和第三电极17之间外接有电流表31；对于第二压电发电机部分，第二电极13和第四电极20是其电流的输出电极，第二电极13和第四电极20之间外接有电流表32。第一和第二压电发电机部分主要靠位于两个电极之间的压电纳米材料在发生弯曲和恢复的过程中产生的压电效应而发电。如图4所示，当本发明的混合纳米发电机的各层向下弯曲时，在第一压电发电机部分中，第一压电纳米线阵列15发生弯曲而处于拉伸状态，以压电材料为ZnO为例，由于其生长方向对应于ZnO晶体的C轴方向，因ZnO材料压电效应的存在将会在第一压电纳米线阵列15的顶端产生高的电势，在第一压电纳米线阵列15的底部产生低的电势。此时，如果外电路是导通状态，例如如图5所示，第一电极11与第三电极17通过电流表31连接，那么自由电子将从电势较低的底部的第一电极11流向电势较高的顶部的第三电极17，从而在第一压电发电机部分的外电路中形成电流，即有电流从电流表31流过。而第一压电纳米线阵列15上方的第三高分子聚合物绝缘层16将防止电子在内部中和。当本发明的混合纳米发电机的各层恢复到原来状态时，第一压电发电机部分中的各层也恢复其原来的平板状态，因ZnO材料压电效应的存在将会在第一压电纳米线阵列15的顶端与底端之间再次产生电势差，这时自由电子将从第三电极17经由外电路（即，经电流表连接第一电极11与第三电极17的电路）流回到原来的一侧电极即第一电极11上，从而在外电路中形成反向电流。第二压电发电机部分的发电原理与上面所述的第一压电发电机部分的发电原理类似，当本发明的混合纳米发电机的各层向下弯曲时，第一压电发电机部分中的第一压电纳米线阵列15处于拉伸状态，而第二压电发电机部分的第二压电纳米线阵列18处于压缩状态，因ZnO材料压电效应的存在将会在第二压电纳米线阵列18的顶端（因为第二压电纳米线阵列18是向下生长的，它的顶端对应于图中第二压电纳米线阵列18的下部）产生低的电势，在第二压电纳米线阵列18的底部（对应于图中第二压电纳米线阵列18的上部）产生高的电势。此时，如果外电路是导通状态，例如如图5所示，第二电极13和第四电极20通过电流表32连接，那么自由电子将从电势较低的第四电极20流向电势较高的第二电极13，从而在第二压电发电机部分的外电路中形成电流，即有电流从电流表32流过。而第二压电纳米线阵列18顶端的第四高分子聚合物绝缘层19将防止电子在内部中和。当本发明的混合纳米发电机的各层恢复到原来状态时，第二压电发电机部分中的各层也恢复其原来的平板状态，因ZnO材料压电效应的存在将会在第一压电纳米线阵列18的顶端与底端之间再次产生电势差，这时自由电子将从第二电极13经由外电路（即，经电流表连接第二电极13与第四电极20的电路）流回到原来的一侧电极即第四电极20上，从而在外电路中形成反向电流。由于两组压电发电机部分相对独立的，因此二者相互之间无影响。综上所述，在本发明的混合纳米发电机由三部分组成，即两个压电发电机部分和位于所述两个压电发电机部分之间的一个摩擦电发电机部分。当将第一电极11和第四电极20连接在一起作为一个输出支路，第二电极13和第三电极17连接在一起作为一个输出支路的时候，这三部分满足基本电路连接的线性叠加原理，即无论正向叠加或反向叠加时，总的输出电流都可以以并联的方式被增强。因此，当使用本发明提供的混合纳米发电机时，相当于在单个混合纳米发电机中可以实现三个纳米发电机（两个压电纳米发电机和一个摩擦电纳米发电机）的并联，使得纳米发电机的发电效率得到明显提升。
此外，为了更加有效地提高输出电流或单位面积的输出功率，提高发电效率，也可以在本发明的混合纳米发电机之上再装配多层混合纳米发电机。例如，可以将多个本发明的混合纳米发电机叠加在一起而形成多层混合纳米发电机，也可以根据需要在本发明的具有上述三个纳米发电机的混合纳米发电机之外再分别层叠多个压电发电机和/或摩擦电发电机，其中在本发明的混合纳米发电机之外层叠的压电发电机和/或摩擦电发电机不限于按照本发明的混合纳米发电机的方式进行制作，例如，可以连续层叠多个压电发电机或摩擦电发电机，也可以交叉层叠压电发电机和摩擦电发电机。
下面通过一个具体例子进一步详细描述本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机。
在本实施例中，关于本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机的摩擦电发电机部分，其中第一电极11由铟锡氧化物（ITO）导电薄膜制作；第一高分子聚合物绝缘层10由聚对苯二甲酸乙二醇酯（以下简称PET）制作；居间薄膜14由具有四棱锥型的微纳凹凸结构的PDMS制作；第二高分子聚合物绝缘层12由PET制作；其中第一电极11和第二电极13作为电流的输出电极，如图5所示，二者通过电流表而连接在一起。
所述摩擦电发电机部分的具体制作方法为：所述第一电极11、第一高分子聚合物绝缘层10、居间薄膜14、第二高分子聚合物绝缘层12和第二电极13如上面图1所示依次层叠而形成类似于“三明治”的结构，具体地，第一电极11通过蒸镀法镀在第一高分子聚合物绝缘层10的表面上；居间薄膜14的具有四棱锥型的微纳凹凸结构的一侧与第一高分子聚合物绝缘层10接触，其未具有四棱锥型的微纳凹凸结构的一侧与第二高分子聚合物绝缘层12紧密贴合在一起；第二电极13通过蒸镀法镀在第二高分子聚合物绝缘层12的表面上。
在本实施例中，关于本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机的第一压电发电机部分，其中第三电极17由ITO导电薄膜制作；第三高分子聚合物绝缘层16由聚甲基丙烯酸甲酯（以下简称PMMA）制作；第一压电纳米线阵列15由ZnO纳米线阵列制作。其中第三电极17和第一电极11作为电流的输出电极，如图5所示，二者通过电流表而连接在一起。
所述第一压电发电机部分的具体制作方法为：在如上关于摩擦电发电部分中的镀在第一高分子聚合物绝缘层10的表面上的第一电极11之上，通过射频溅射的方法镀ZnO压电材料种子层；在ZnO压电材料种子层上，采用湿化学法生长ZnO纳米线阵列，形成第一压电纳米线阵列15；在完成ZnO纳米线阵列的生长后，对其进行加热退火，然后通过旋涂覆盖ZnO纳米线阵列的PMMA层，形成第三高分子聚合物绝缘层16；最后在第三高分子聚合物绝缘层16上涂覆ITO导电薄膜，该ITO导电薄膜即用作第三电极17。
在本实施例中，关于本发明的压电和摩擦电混合纳米发电机的第二压电发电机部分，其中第四电极20由ITO导电薄膜制作；第四高分子聚合物绝缘层19由PMMA制作；第二压电纳米线阵列18由ZnO纳米线阵列制作。其中第四电极20和第二电极13作为电流的输出电极，如图5所示，二者通过电流表而连接在一起。
所述第二压电发电机部分的具体制作方法为：在如上关于摩擦电发电部分中的镀在第二高分子聚合物绝缘层12的表面上的第二电极13之上，通过射频溅射的方法镀ZnO压电材料种子层；在ZnO压电材料种子层上，采用湿化学法生长ZnO纳米线阵列，形成第二压电纳米线阵列18；完成ZnO纳米线阵列的生长后，对其进行加热退火，然后通过旋涂覆盖ZnO纳米线阵列的PMMA层，形成第四高分子聚合物绝缘层19；最后在第四高分子聚合物绝缘层19上涂覆ITO导电薄膜，该ITO导电薄膜即用作第四电极20。
利用本发明的上述实施例所提供的混合纳米发电机，当其有效尺寸为4.5cm×1.2cm、整个厚度大约是1mm时，用一个线性马达以一定频率控制该混合纳米发电机的弯曲和释放，例如，在0.33Hz的频率和0.13%的应力下，这时第一电极11和第二电极13之间的最大输出电流可达0.8μA，第一电极11和第三电极17之间的最大输出电流可达0.6μA，第二电极13和第四电极20之间的最大输出电流可达0.6μA。当将第一电极11和第四电极20连接在一起作为一个输出支路，第二电极13和第三电极17连接在一起作为一个输出支路的时候，该混合纳米发电机的三部分满足基本电路连接的线性叠加原理，所以将这三部分叠加起来，整个混合纳米发电机的最大输出电流信号可高达2μA，整个混合纳米发电机的电流密度约为0.37μA/cm2。
对于现有的单个摩擦电发电机，其与本发明的混合纳米发电机中的摩擦电发电机部分类似，第一电极由铟锡氧化物（ITO）导电薄膜制作；第一高分子聚合物绝缘层由聚对苯二甲酸乙二醇酯（以下简称PET）制作；居间薄膜由具有四棱锥型的微纳凹凸结构的PDMS制作；第二高分子聚合物绝缘层由PET制作；其中第一电极和第二电极作为电流的输出电极，二者通过电流表而连接在一起。当该摩擦电发电机的有效尺寸为4.5cm×1.2cm，整个摩擦电发电机的厚度大约是460μm时，用一个线性马达以一定频率控制该摩擦电发电机的弯曲和释放，例如，以0.33Hz的频率使其发生0.13%的形变，则该摩擦电发电机的最大输出电流可达0.7μA，整个摩擦电发电机的电流密度约为0.13μA/cm2。
通过以上对比可以发现，本发明提供的混合纳米发电机与现有的单个摩擦电发电机相比，最大输出电流、电流密度以及最大输出功率密度得到了明显提升。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，包括：
第一高分子聚合物绝缘层；
第一电极，位于所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
第二高分子聚合物绝缘层；
第二电极，位于所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；
居间薄膜，其一侧表面设有微纳凹凸结构，所述居间薄膜设有微纳凹凸结构的一侧与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触，所述居间薄膜未设有微纳凹凸结构的一侧与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面固定；
第一压电纳米线阵列，垂直生长在所述第一电极上；
第三高分子聚合物绝缘层，覆盖在所述第一压电纳米线阵列上；
第三电极，位于所述第三高分子聚合物绝缘层的表面上；
第二压电纳米线阵列，垂直生长在所述第二电极上；
第四高分子聚合物绝缘层，覆盖在所述第二压电纳米线阵列上；
第四电极，位于所述第四高分子聚合物绝缘层的表面上；
所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极是所述压电和摩擦电混合纳米发电机的输出电极。
2.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同，所述第二高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质不同。
3.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层、所述第四高分子聚合物绝缘层和所述居间薄膜的材质各不相同。
4.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层的材质相同，但与所述居间薄膜的材质不同。
5.根据权利要求2所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层分别选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一种，所述居间薄膜选自其中与所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层不同的另外一种。
6.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第一电极、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极、居间薄膜、第三高分子聚合物绝缘层、第三电极、第四高分子聚合物绝缘层、第四电极均为柔性平板结构，它们通过弯曲或变形造成压电发电和摩擦起电。
7.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述居间薄膜一侧表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。
8.根据权利要求7所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述居间薄膜一侧表面的微纳凹凸结构为有规则的凹凸结构，所述凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极为金属薄膜，所述金属薄膜选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的压电和摩擦电混合纳米发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层和所述第四高分子聚合物绝缘层的厚度为100μm-500μm；所述居间薄膜的厚度为50μm-100μm；所述微纳凹凸结构的凸起高度小于或等于10μm。
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