CN105405960B

CN105405960B - 一种石墨烯驻极体纳米发电机

Info

Publication number: CN105405960B
Application number: CN201510927131.9A
Authority: CN
Inventors: 陈森; 赵玮; 赵春宝; 周志近; 陈刚; 韩萌
Original assignee: Nanjing College of Information Technology
Current assignee: Guangdong Devo Ventilation Equipment Co ltd; Hefei Minglong Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2018-05-18
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: CN105405960A

Abstract

本发明公开了一种石墨烯驻极体纳米发电机，其具体结构包括：由导电硅片制作的底电极；底电极上的第一绝缘层；第一绝缘层上的电荷存储层；电荷存储层上的由高分子聚合物制作的第二绝缘层；第二绝缘层上的由还原氧化石墨烯构成的顶电极。本发明丰富了纳米发电机的种类，以能够将生活中大量的声波进行收集，并将其转化为电能，达到绿色环保收集能源的效果。与纳米压电发电机相比，在本发明石墨烯驻极体纳米发电机的运行过程中，电极与电荷存储层间不需要压力接触，有效避免了纳米压电发电机工作中，因摩擦带来的功能层损伤，具备更高的理论产品寿命；同时也避免了摩擦生热等现象导致的能量损失，能量转化效率更高，最高达13％左右。

Description

一种石墨烯驻极体纳米发电机

技术领域

本发明属于环保与绿色能源技术领域，具体涉及一种石墨烯驻极体纳米发电机。

背景技术

在过去的几十年中，纳米技术在电子学、光电子学、材料科学、生物化学等领域取得了许多突破性进展，新型纳米材料与器件不断被研发出来。这就引申出了纳米技术中能源供应这一极其重要的问题。纳米发电机使得纳米器件的能量供给系统与工作系统同时都能达到纳米量级，从而保持了自备电源的完整性和纳米器件系统的微型化等特点。为实现整个纳米器件工作系统的真正小型化奠定了基础。

自2004年被确认存在以来，作为二维材料代表的石墨烯引起了学术界广泛关注；这种新材料具有较高的功函数，非凡的电子学性能和它与有机分子间强大的π-π相互作用，这些都能降低电极/有机层之间的电子注入势垒，提高器件性能。石墨烯的制备方法主要有化学合成、外延生长、化学气相沉积、微机械剥离、天然石墨氧化还原法、电化学方法等。其中还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)因其制备工艺简单易控，被认为是最有希望工业化的功能性电子材料之一。

目前，纳米发电机已被制造成功，主要有压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机，这些纳米发电机为纳米发电机的持续研发提供了基础，纳米发电机的基本原理是：当纳米线在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。上述的压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机，主要靠外力直接作用在纳米发电机的电极上，进而使纳米发电机产生电流，但在人们的生活环境中有着丰富的可变频率和强度的能量，例如声音、气流、人类活动等，目前这些能源的绝大部分仍处于浪费状态，而对这些能量，现有的纳米发电机技术仍难以收集到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯驻极体纳米发电机，以进一步地丰富纳米发电机的种类，以能够将生活中大量的声波进行收集，并将其转化为电能，达到绿色环保收集能源的效果。

本发明中，石墨烯驻极体纳米发电机的具体结构为：

由导电硅片制作的底电极；

所述底电极上的第一绝缘层；

所述第一绝缘层上的电荷存储层；

所述电荷存储层上的由高分子聚合物制作的第二绝缘层；

所述第二绝缘层上的由还原氧化石墨烯构成的顶电极。

所述电荷存储层由氧化石墨烯或部分还原氧化石墨烯构成，或者由任意比例的氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯构成，或者由质子化氧化石墨烯构成。部分还原氧化石墨烯的制备目前很成熟，专利申请201510268002.3和201310481713.X中均有比较完整的制备方法；质子化氧化石墨烯是氧化石墨烯的衍生物，其是将氧化石墨烯置于酸性溶液中制成悬浮液，并控制悬浮液的pH值在1～5之间，然后将悬浮液进行干燥后制得，酸性溶液可以为盐酸、硫酸、甲酸或乙酸等溶液，采用酸性溶液对化学物质进行质子化的方式为化学领域的常用方法，不再详述。

所述导电硅片为掺磷的N型半导体或者掺錋的P型半导体硅片，导电硅片的厚度为180～220微米；这类导电硅片在现有技术中已很成熟，均能满足本申请的需要，不再赘述。

本发明中，顶电极由还原氧化石墨烯构成。电荷存储层由氧化石墨烯、部分还原氧化石墨烯或质子化氧化石墨烯等驻极体材料构成，电荷存储层实际上为一个整体的驻极体。电荷存储层中的电荷可以在电荷存储层的制备过程中，通过制备材料与基底之间的摩擦而产生静电效应获得；或者在纳米发电机制成后，通过低压直流供电在电荷存储层产生电荷，以上均为使驻极体材料产生电荷的常规方法。在电荷存储层内部电荷的诱发下，在底电极与顶电极之间形成感应电荷，在声波的振动下，电极之间的距离发生变化，感应电荷随之移动，产生电流。本发明能够将现实环境中无处不在的微小声波转化为电能，起到了无污染绿色能源采集器的作用。

与纳米压电发电机相比，在本发明石墨烯驻极体纳米发电机的运行过程中，电极与电荷存储层间不需要压力接触，有效避免了纳米压电发电机工作中，因摩擦带来的功能层损伤，使本发明具备更高的理论产品寿命；同时也避免了摩擦生热等现象导致的能量损失，能量转化效率更高，最高达13％左右；并且各个部件的制备以溶液法为主，无需高温高压处理，工艺流程简单。

进一步，当电荷存储层由氧化石墨烯或部分还原氧化石墨烯构成，或者由任意比例的氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯构成时，其制作方法为：将驻极体材料投入到第一分散剂中制成第一悬浮液，其中驻极体材料的浓度为5～8mg/mL，然后将第一悬浮液涂覆于第一绝缘层上，再用热风整平并烘干，获得厚度为0.8～1.2微米的驻极体薄膜，该驻极体薄膜即为电荷存储层；所述驻极体材料为片层大小在400～600纳米之间的氧化石墨烯或部分还原氧化石墨烯，或任意比例的氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯的混合物；第一分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、四氢呋喃、N、N二甲基甲酰胺或去离子水中的至少一种。热风的温度可以根据具体的烘干速度进行调整，优选控制在30～70℃之间，如此可以获得质量较好的薄膜。

第一悬浮液优选采用旋涂、刮涂、滴膜或丝印的方法涂覆于第一绝缘层上，这些方法均可使电荷存储层获得电荷的存储；旋涂、刮涂、滴膜或丝印这些均为现有技术中用于制备薄膜的常规方法，在此不再赘述。

当电荷存储层由质子化氧化石墨烯构成时，可以将已有的质子化氧化石墨烯调配成悬浮液，然后制膜；在本申请中，为了简化制备步骤，优选采用了以下制作方法，具体为：将片层大小在400～600纳米之间的氧化石墨烯投入到酸性溶液中制成第二悬浮液，其中氧化石墨烯的浓度为5～8mg/mL，控制第二悬浮液的pH值在1～5之间；然后将第二悬浮液涂覆于第一绝缘层上，再用热风整平并烘干，获得厚度为0.8～1.2微米的质子化氧化石墨烯薄膜，该质子化氧化石墨烯薄膜即为电荷存储层。酸性溶液可以为盐酸、硫酸、甲酸或乙酸等溶液。

第二悬浮液同样优选采用旋涂、刮涂、滴膜或丝印的方法涂覆于第一绝缘层上。

将氧化石墨烯等驻极体材料作为纳米发电机的电荷存储层，比氧化锌纳米线等传统驻极体材料具有更好的加工性能，并且可以方便地通过质子化等方法调节电荷存储能力，有助于提高纳米发电机的效率。

为提高制作效率，比较好的方式是将电荷存储层在第一绝缘层上直接制作，将电荷存储层直接制备在第一绝缘层上，还可使纳米发电机的体积更加小型化。

顶电极由还原氧化石墨烯构成，还原氧化石墨烯的制备目前也很成熟，专利2010101868193、201410174812.8和201310287531.9均有比较完整的记载，可以将采用这些方法制备的还原氧化石墨烯调配成悬浮液，然后制膜；在本申请中，为了简化制备步骤，顶电极优选采用了以下制作方法：

将片层大小为400～600纳米的氧化石墨烯粉末投入到第二分散剂中制成第三悬浮液，其中氧化石墨烯的浓度为5～8mg/mL，然后在基底上涂覆第三悬浮液，待第二分散剂挥发干净后进行剥离，得到厚度为0.8～1.2微米的氧化石墨烯薄膜；再将该氧化石墨烯薄膜置于70～90℃的还原剂中进行还原，取出后用去离子水清洗，待干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，该还原氧化石墨烯薄膜即为顶电极。在现有技术中，制膜技术已非常成熟，用于制膜的的基底也非常多，例如经过抛光的二氧化硅片、树脂片、玻璃以及有色金属等均可作为本申请的基底，也可以将本申请中的第一绝缘层作为基底使用，总之，制膜技术及制膜用的基底在现有技术中已完全能够满足本申请的需要，在此不在赘述。

第三悬浮液优先采用旋涂或液面自组装的方式涂覆在基底上。

第二分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、四氢呋喃或N、N二甲基甲酰胺中的至少一种。

还原剂采用如下溶液中的任意一种：

A、含5～35wt％碘化氢和30～50wt％乙酸的水溶液，优选含15～30wt％碘化氢和35～40wt％乙酸的水溶液；

B、浓度为45～55wt％水合肼溶液，优选浓度为47～51wt％水合肼溶液；

C、浓度为0.1～0.5wt％硼氢化钠水溶液，优选0.3～0.4wt％硼氢化钠水溶液。

采用还原氧化石墨烯作为纳米发电机的顶电极，可以比常用的金属银、铜等电极材料更轻便，对声波的振动更加敏感；本发明中，整个纳米发电机都不含有重金属部分，使其具备了在生物电子器件中得到拓展性应用的基础。

进一步，第一绝缘层为热氧化在底电极上的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为250～350纳米。将二氧化硅层热氧化在底电极上，可以是纳米发电的体积更加小型化，以及可以充分地利用现有技术中较为成熟的技术，以降低纳米发电机的制造费用。在现有技术中，在导电硅片上通过热氧化方法生成二氧化硅层的技术已非常成熟，完全能满足本发明的需要，不再赘述。

进一步，第二绝缘层优选采用空心结构，使第二绝缘层的下表面面积为电荷存储层的上表面面积的5～80％；采用空心结构，可以使顶电极有更大的震动释放空间，使纳米发电机对声波有更大的灵敏度及更高的能量转化效率。第二绝缘层具体可以为两条具有间隙的高分子聚合物条，也可以为呈封闭环形或开口环形的高分子聚合物薄膜。

第一绝缘层和第二绝缘层均可采用厚度在60～120微米之间，优选厚度在80～100微米之间的聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚已丁烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯等高分子聚合物来制作。

上述高分子聚合物作为绝缘材料在现代电子工业中的应用已非常成熟，加工工艺包含旋涂、辊涂、刮涂、丝印、贴膜等各种工业化方法，这些高分子材料在保证纳米发电机性能的前提下，大大降低了成本，能适应大规模化生产的要求。

目前，采用上述高分子聚合物制作的涂覆有粘合剂的薄膜，可直接用于制作本申请中的第一绝缘层和第二绝缘层。

本发明石墨烯驻极体纳米发电机具有较高的能量转化效率，最高达13％左右，较现有的无机纳米线式驻极体纳米发电机2％左右的能量转化效率，有了较大的提高。

附图说明

图1是本发明石墨烯驻极体纳米发电机的一种结构示意图。

图2是本发明中第二绝缘层为空心结构时的第一种形式。

图3是本发明中第二绝缘层为空心结构时的第二种形式，图中显示的为第二绝缘层粘合在电荷存储层上的结构示意图。

图4是本发明中第二绝缘层为空心结构时的第三种形式。

图5是本发明中第二绝缘层为空心结构时的第四种形式。

图中标记：

1.顶电极，2.第二绝缘层，3.电荷存储层，4.第一绝缘层，5底电极。

具体实施方式

下列实施例中能量转换效率按如下公式进行计算：

η＝W_电/W_声＝(IQ/C)/(p²S/ρc)

其中：

η-转换效率；

I-纳米发电机平均输出电流；

Q-纳米发电机的带电量；

C-纳米发电机的电容；

p-声波压力；

S-声波作用面积；

ρ-空气密度；

c-空气中声音传播速度。

实施例1

1#石墨烯驻极体纳米发电机，参阅图1，其具体结构包括：

底电极5；

底电极5上的第一绝缘层4；

所述第一绝缘层4上的电荷存储层3；

所述电荷存储层3上的第二绝缘层2；

所述第二绝缘层2上的顶电极1。

其中：

底电极5是厚度为180微米的掺磷的N型半导体硅片。

第一绝缘层4是热氧化在作为底电极5的半导体硅片上的厚度为250纳米的二氧化硅层。

电荷存储层3的制备：将甲醇与去离子水按体积比1∶1制成第一分散剂，将片层大小为400纳米的氧化石墨烯粉末投入到第一分散剂中，制成氧化石墨烯浓度为5mg/mL的第一悬浮液，将第一悬浮液采用旋涂的方式涂覆在作为第一绝缘层的二氧化硅层上，然后用热风整平并烘干，获得厚度为0.8微米的薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为60微米的聚酰亚胺薄膜。

顶电极1的制备：将甲醇与去离子水按体积比1∶1制成第二分散剂，再将片层大小为400纳米的氧化石墨烯粉末投入到第二分散剂中，制成氧化石墨烯浓度为5mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在作为第一绝缘层4的二氧化硅层上，待第二分散剂挥发干净后进行剥离，获得厚度为0.8微米的氧化石墨烯薄膜；然后将氧化石墨烯薄膜置于70℃的含5wt％碘化氢和30wt％乙酸的水溶液中，浸泡30分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在1#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为1.1nA，能量转换效率4.3％。

实施例2

2#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

底电极5是厚度为180微米的掺錋的P型半导体硅片。

第一绝缘层4是热氧化在作为底电极5的半导体硅片上的厚度为320纳米的二氧化硅层。

电荷存储层3的制备：将片层大小为500纳米的部分氧化石墨烯粉末投入到甲醇溶液中，制成部分氧化石墨烯浓度为6mg/mL的第一悬浮液，将第一悬浮液采用刮涂的方式涂覆在作为第一绝缘层的二氧化硅层上，然后用热风整平并烘干，获得厚度为0.9微米的薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为80微米的聚酰亚胺薄膜，其形状为空心结构，参阅图2，第二绝缘层为首尾相接呈封闭环形的聚酰亚胺薄膜21，薄膜的中心部为空心，聚酰亚胺薄膜21的下表面面积为电荷存储层的上表面面积的10％。

顶电极1的制备：将片层大小为500纳米的氧化石墨烯粉末投入到甲醇中，制成氧化石墨烯浓度为6mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的玻璃板上，待甲醇挥发干净后进行剥离，获得厚度为0.9微米的氧化石墨烯薄膜；然后将氧化石墨烯薄膜置于80℃的含5wt％碘化氢和50wt％乙酸的水溶液中，浸泡20分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在2#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为3.1nA，能量转换效率12％。

实施例3

3#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

底电极5是厚度为220微米的掺磷的N型半导体硅片。

第一绝缘层4是热氧化在作为底电极5的半导体硅片上的厚度为350纳米的二氧化硅层。

电荷存储层3的制备：将片层大小为600纳米的氧化石墨烯粉末和部分还原氧化石墨烯粉末投入到乙醇溶液中，制成氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯的总浓度为7mg/mL的第一悬浮液，将第一悬浮液采用滴膜的方式涂覆在作为第一绝缘层的二氧化硅层上，然后用热风整平并烘干，获得厚度为1.0微米的薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为100微米的聚酯薄膜，其形状为空心结构，参阅图3，第二绝缘层2由两条大致相互平行的聚酯薄膜条22构成，两条聚酯薄膜条22分别位于电荷存储层3的上表面的两侧，两条聚酯薄膜条22的下表面的总面积为电荷存储层的上表面面积的8％。

顶电极1的制备：将片层大小为600纳米的氧化石墨烯粉末投入乙醇中，制成氧化石墨烯浓度为7mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的二氧化硅片上，待乙醇挥发干净后进行剥离，获得厚度为1.0微米的氧化石墨烯薄膜；然后将氧化石墨烯薄膜置于90℃的含30wt％碘化氢和30wt％乙酸的水溶液中，浸泡10分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在3#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为2.9nA，能量转换效率11％。

实施例4

4#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

底电极5是厚度为220微米的掺錋的P型半导体硅片。

第一绝缘层4是热氧化在作为底电极5的半导体硅片上的厚度为300纳米的二氧化硅层。

电荷存储层3的制备：将片层大小为450纳米的氧化石墨烯粉末投入到盐酸溶液中，制成含氧化石墨烯8mg/mL的第二悬浮液，控制第二悬浮液的pH值为2，然后将第二悬浮液采用丝印的方式涂覆在作为第一绝缘层的二氧化硅层上，然后用热风整平并烘干，获得厚度为1.1微米的质子化氧化石墨烯薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为100微米的聚四氟乙烯薄膜，其形状为空心结构，参阅图4，第二绝缘层为多孔形的聚四氟乙烯薄膜23，聚四氟乙烯薄膜23的下表面面积为电荷存储层的上表面面积的30％。

顶电极1的制备：将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入丙酮中制成第三悬浮液，氧化石墨烯的浓度为8mg/mL，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的树脂片上，待丙酮挥发干净后进行剥离，获得厚度为1.2微米的氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜置于90℃的含35wt％碘化氢和40wt％乙酸的水溶液中，浸泡15分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在4#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为3.4nA，能量转换效率13％。

实施例5

5#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

底电极5是厚度为200微米的掺錋的P型半导体硅片。

第一绝缘层4是热氧化在作为底电极5的半导体硅片上的厚度为280纳米的二氧化硅层。

电荷存储层3的制备：将片层大小为600纳米的氧化石墨烯粉末投入到盐酸溶液中，制成含氧化石墨烯5mg/mL的第二悬浮液，控制第二悬浮液的pH值为5，然后将第二悬浮液采用旋涂的方式涂覆在作为第一绝缘层的二氧化硅层上，然后用热风整平并烘干，获得厚度为1.2微米的质子化氧化石墨烯薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为120微米的聚乙烯薄膜，其形状为空心结构，参阅图5，第二绝缘层为呈开口环形的聚酰亚胺薄膜24，薄膜的中心部为空心，聚酰亚胺薄膜24的下表面面积为电荷存储层的上表面面积的70％。

顶电极1的制备：将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入N、N二甲基甲酰胺中，制成氧化石墨烯浓度为8mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的树脂片上，待N、N二甲基甲酰胺挥发干净后进行剥离，获得厚度为1.2微米的氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜置于80℃的45wt％水合肼溶液中，浸泡15分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在5#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为2.1nA，能量转换效率8％。

实施例6

6#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

其中底电极5是厚度为220微米的掺錋的P型半导体硅片。

第一绝缘层4是厚度为60微米的聚酰亚胺薄膜。

电荷存储层3的制备：将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入到硫酸溶液中，制成含氧化石墨烯8mg/mL的第二悬浮液，控制第二悬浮液的pH值为3，将第二悬浮液采用刮涂的方式涂覆在经过抛光的玻璃板上，然后用热风整平、烘干后剥离，获得厚度为0.8微米的质子化氧化石墨烯薄膜，制成电荷存储层3。

第二绝缘层2采用厚度为100微米的聚氯醚薄膜，其形状与实施例2相同。

顶电极1的制备：将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入去离子水中，制成氧化石墨烯浓度为8mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的树脂片上，待去离子水挥发干净后进行剥离，获得厚度为1.2微米的氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜置于80℃的55wt％水合肼溶液中，浸泡20分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在6#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为1.9nA，能量转换效率7.5％。

实施例7

7#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例6基本相同，不同之处在于：

电荷存储层3的制备：将甲醇、乙醇、去离子水和丙酮按体积比例1∶1∶1∶1制成第一分散剂，然后将片层大小为500纳米的氧化石墨烯粉末和部分氧化石墨烯粉末投入第一分散剂中，制成氧化石墨烯和部分氧化石墨烯的总浓度为6mg/mL的第一悬浮液，将第一悬浮液采用刮涂的方式涂覆在经过抛光的玻璃板上，然后用热风整平、烘干后剥离，获得厚度为0.8微米的薄膜，制成电荷存储层3。

顶电极1的制备：将甲醇、乙醇、去离子水和丙酮按体积比例1∶1∶1∶1制成第二分散剂，然后将片层大小为400纳米的氧化石墨烯粉末投入第二分散剂中，制成氧化石墨烯浓度为5mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在作为第一绝缘层4的二氧化硅层上，待第二分散剂挥发干净后进行剥离，获得厚度为0.8微米的氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜置于90℃的0.1wt％硼氢化钠水溶液中，浸泡10分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在7#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为2.9nA，能量转换效率11％。

实施例8

8#石墨烯驻极体纳米发电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

电荷存储层3的制备：将甲醇、乙醇、去离子水和丙酮按体积比例2∶1∶2∶3制成第一分散剂，然后将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入第一分散剂中，制成氧化石墨烯浓度为8mg/mL的第一悬浮液，将第一悬浮液采用刮涂的方式涂覆在经过抛光的玻璃板上，然后用热风整平、烘干后剥离，获得厚度为0.8微米的薄膜，制成电荷存储层3。

顶电极1的制备：将甲醇、乙醇、去离子水和丙酮按体积比例1∶1∶2∶3制成第二分散剂，然后将片层大小为550纳米的氧化石墨烯粉末投入第二分散剂中，制成氧化石墨烯浓度为8mg/mL的第三悬浮液，将第三悬浮液涂覆在经过抛光的树脂片上，待分散剂挥发干净后进行剥离，获得厚度为1.2微米的氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜置于70℃的0.5wt％硼氢化钠水溶液中，浸泡30分钟后取出，用去离子水清洗，干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，制得顶电极1。

在8#石墨烯驻极体纳米发电机的底电极与顶电极上分别引出导线，用于向外输出电能，然后以声压级70分贝左右的声源为能量源的情况下，获得的电流为2.6nA，能量转换效率10％。

Claims

1.一种石墨烯驻极体纳米发电机，包括：

由导电硅片制作的底电极；

所述底电极上的第一绝缘层；

所述第一绝缘层上的电荷存储层；

所述电荷存储层上的由高分子聚合物制作的第二绝缘层；

所述第二绝缘层上的由还原氧化石墨烯构成的顶电极；

所述电荷存储层由质子化氧化石墨烯构成；

所述导电硅片为掺磷的N型半导体或者掺硼的P型半导体硅片，导电硅片的厚度为180~220 微米；

所述电荷存储层的制作方法为：将片层大小在400~600纳米之间的氧化石墨烯投入到酸性溶液中制成第二悬浮液，其中氧化石墨烯的浓度为5~8mg/mL，控制第二悬浮液的pH值在1~5之间；然后将第二悬浮液涂覆于第一绝缘层上，再用热风整平并烘干，获得厚度为0.8~1.2 微米的质子化氧化石墨烯薄膜，该质子化氧化石墨烯薄膜即为电荷存储层。

2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二悬浮液是采用旋涂、刮涂、滴膜或丝印的方法涂覆于第一绝缘层上。

3.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，顶电极的制作方法为：

将片层大小为400~600 纳米的氧化石墨烯粉末投入到第二分散剂中制成第三悬浮液，其中氧化石墨烯的浓度为5~8mg/mL，然后在基底上涂覆第三悬浮液，待第二分散剂挥发干净后进行剥离，得到厚度为0.8~1.2微米的氧化石墨烯薄膜；再将该氧化石墨烯薄膜置于70~90℃的还原剂中进行还原，取出后用去离子水清洗，待干燥后得到还原氧化石墨烯薄膜，该还原氧化石墨烯薄膜即为顶电极；

第二分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、四氢呋喃或N、N二甲基甲酰胺中的至少一种；

还原剂采用如下溶液中的任意一种：

A、含5~35wt%碘化氢和30~50 wt%乙酸的水溶液；

B、浓度为45~55 wt %水合肼溶液；

C、浓度为0.1~0.5 wt %硼氢化钠水溶液。

4.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一绝缘层为热氧化在底电极上的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为250~350纳米。

5.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，第二绝缘层为空心结构，第二绝缘层的下表面面积为电荷存储层的上表面面积的5~80%。

6.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，第一绝缘层的厚度为60~120微米，制作材料为聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚已丁烯、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯。

7.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，第二绝缘层的厚度为60~120微米，制作材料为聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚已丁烯、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯。