CN105870318A - 一种纳米压电微能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米压电微能源系统，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；来自于外部的力(产生于所收集的耗散机械能)被传递到压电纳米材料促使材料产生形变，在正压电效应的作用下，从而产生电能。该纳米压电微能源系统不仅能够降低漏电流，提高纳米发电机的效率，还可以存储纳米发电机所产生的电能，在需要的时候再对外连续稳定输出给用电器或能量密度更高的外部存储设备。本发明所述纳米压电微能源系统通过新型结构设计，实现了高效的发电、转换、存储、输出为一体。

Description

一种纳米压电微能源系统
技术领域
本发明属于纳米发电、储能和电源技术领域，具体涉及一种纳米压电微能源系统。
背景技术
随着便携、可穿戴设备的逐渐普及，电子产品的尺度和功耗的逐渐降低，极大地丰富和方便了人们的工作和生活。但这些器件的能量供给依然采用传统的化学电池作为主要的能量供应装置，尽管化学电池制备简单，使用方便，但是其供能持久性差，尺寸过大，且对环境有污染，不能满足微纳米尺度的电子器件的工作环境和供能要求，因而开发新的发电效率高、寿命长，微纳尺度的自发电能源系统是解决该类电子器件能源问题的关键。
现有技术中有文献首次报道了基于氧化锌的纳米压电微能源系统(Z.L.Wang,Science,2006,312,P242.文中称现有技术一)，该文在导电基板上利用高温气相沉积方法(CVD)制备出了垂直阵列的氧化锌纳米棒，然后利用镀铂的硅探针去拨动单根氧化锌纳米棒使其产生形变，由于正压电效应，在探针和基板之间测得了电压和电流，从而获得了基于氧化锌的纳米压电发电机，如图1所示。该技术的缺点是这种结构仅使用探针拨动单根纳米线，虽然能产生电能，但是产生的电压和电流过小，成本昂贵，不具有实用价值。
另有文献(X.D.Wang,Science,2007,316，P102.文中称现有技术二)报道利用高温CVD法制备的垂直生长的氧化锌作为压电材料，表面镀有金属铂的锯齿形硅片作为上电极，导电基板作为下电极，制备出纳米发电机，该种结构是利用上极板上的锯齿形结构刮蹭氧化锌纳米棒，然后由于压电效应产生电势差，进而经由上下电极对外输出，如图2所示。该技术的缺点是这种结构仅仅考虑了纳米发电机发电的过程，电能只能直接对外输出，而且由于该种纳米发电机的结构局限性(漏电流巨大)，输出电压和电流都太小，效率很低，同时由于工作原理所限，只能输出脉冲式的电流，不具有实用价值。
还有报道(G.Zhu,Nano Letters,2010,10，P3151.文中称现有技术三)将高温CVD法制备的氧化锌纳米棒转移平铺在柔性基板上，该柔性基板上事先通过微纳加工技术制备了多个平行排列的金电极条，在各个金电极之间连接了多个氧化锌纳米棒，然后反复弯曲该柔性基板以使氧化锌纳米棒发生形变，由于压电效应产生电压，如图3所示。相较于前两个报道，该发明并无本质的提高，电能只能直接对外输出，漏电流巨大，输出功率太小，效率很低，只能输出脉冲式的电流，无实用价值。另外，该种技术采用柔性基底，依靠反复弯曲来产生电能，器件的使用寿命很短。
进一步开发能够具备使用价值的纳米压电微能源系统具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米压电微能源系统，该系统能够降低漏电流，提高发电效率，还能存储发电所产生的电能，在需要时再对外连续稳定输出给用电器或能量密度更高的外部存储设备。
本发明采取的技术方案如下：
1、纳米压电微能源系统，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；所述系统具有正压电效应。
优选的，所述上电极镀在上基板上，所述电介质层涂覆于上电极上，所述下电极镀在电介质层上。
优选的，所述上下基板为硅，玻璃，氮化镓，石英玻璃，蓝宝石玻璃，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯。
优选的，所述压电纳米材料为氧化锌纳米线、锆钛酸铅、铌酸钾钠或聚偏氟乙烯。
优选的，所述上下电极为金属、导电晶体或导电高分子材料。
优选的，所述电介质层材料为钛酸钡、涤纶、苯乙烯或聚偏氟乙烯。
本发明的有益效果在于：本发明针对现有纳米发电机的结构局限性导致的漏电流巨大，发电效率低，只能脉冲式输出，无法实现稳定、连续、高效输出的问题，设计并提出了新的纳米压电微能源系统结构，该纳米压电微能源系统不仅能够降低漏电流，提高纳米发电机的效率，还可以存储纳米发电机所产生的电能，在需要的时候再对外连续稳定输出给用电器或能量密度更好的存储设备。本发明所述纳米压电微能源系统通过新型结构设计，实现了高效的发电、转换、存储、输出为一体。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1现有技术一的纳米压电发电机。
图2现有技术二的纳米压电发电机。
图3现有技术三的纳米压电发电机。
图4本发明所述纳米压电微能源系统的结构示意图。
图5本发明氧化锌纳米棒的纳米压电微能源系统与现有技术二所述纳米压电发电机输出电压和电流数据比较。
图6本发明氧化锌纳米棒原型纳米压电微能源系统点亮LED灯。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
本发明所述纳米压电微能源系统，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；来自于外部的力(产生于所收集的耗散机械能)被传递到压电纳米材料促使材料产生形变，在正压电效应的作用下，从而产生电能。优选的，所述上电极镀在上基板上，所述电介质层涂覆于上电极上，所述下电极镀在电介质层上。
本发明所述上下基板的材料可根据具体应用环境进行选择，如可以为：硅，玻璃，氮化镓，石英玻璃，蓝宝石玻璃，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯等。
本发明所述压电纳米材料为本领域常规压电纳米材料，具体材料根据应用环境进行选择，优选为具有高机电耦合系数的压电纳米材料，如锆钛酸铅类材料，铌酸钾钠类材料，聚偏氟乙烯类材料等。
本发明所述上下电极为本领域常规使用的电极材料，比如金属、导电晶体、导电高分子材料等，具体可以为金、铜、氧化铑、石墨烯、聚噻吩等。
本发明所述电介质层为本领域常规使用的电介质层材料，根据具体应用环境进行材料选择，优选为高性能介电材料，如钛酸钡，涤纶，苯乙烯，聚偏氟乙烯等。
本发明所述纳米压电微能源系统的工作原理是：当给予纳米发电系统压力时，压电纳米材料发生形变，由于压电效应，压电材料内部产生电势差，所产生的电流传导到介电电容中存储，从而减少了漏电流，提高了输出功率，而现有技术会存在部分载流子在压电纳米材料内部被俘获，造成巨大的漏电流，导致输出功率降低。
以氧化锌纳米棒作为压电纳米材料为例，纳米压电微能源系统制备方法为：
首先，在硅片上基板上先镀一层金电极，再涂覆一层聚偏氟乙烯电介质层，再镀上一层金电极，制备出介电电容；同时，在氮化硅下基板上制备出垂直生长的氧化锌纳米线；将介电电容与氧化锌纳米棒通过外力相互挤压，使得氧化锌纳米棒产生形变，从而产生电能。
对纳米压电微能源系统施以压力，氧化锌纳米棒产生形变，其尾部和尖端产生电势差，所产生的电流传导到介电电容中储存，减少了漏电流，提高了输出功率，解决了现有技术中纳米发电机的结构局限性导致的漏电流巨大，发电功率低，只能脉冲式输出，无法实现连续稳定高效输出的问题。
如图4所示为本发明所述纳米压电微能源系统的结构示意图，图5为本发明氧化锌纳米棒的纳米压电微能源系统与现有技术二所述纳米压电发电机输出电压和电流数据比较，由图可知，本发明所述纳米压电微能源系统相较于现有技术二，输出电压和电流均有十倍以上的提升，进而使得输出功率提升了百倍以上。同时，本发明所述的纳米压电微能源系统能够成功点亮LED灯，如图6所示。
需要说明的是，压电纳米材料既可以是平铺在下基板上，也可以是垂直于下基板，还可以是成膜状置于下基板上，所带来的仅是输出功率的差异，对于原型机中示范所用氧化锌纳米棒来说，氧化锌纳米线垂直于下基板时输出功率最高。
本发明制备氧化锌纳米线的方法为本领域常规的操作方法。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.纳米压电微能源系统，其特征在于，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；所述系统具有正压电效应。
2.根据权利要求1所述的纳米压电微能源系统，其特征在于，所述上电极镀在上基板上，所述电介质层涂覆于上电极上，所述下电极镀在电介质层上。
3.根据权利要求1所述的纳米压电微能源系统，其特征在于，所述上下基板为硅，玻璃，氮化镓，石英玻璃，蓝宝石玻璃，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的纳米压电微能源系统，其特征在于，所述压电纳米材料为氧化锌纳米线、锆钛酸铅、铌酸钾钠或聚偏氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的纳米压电微能源系统，其特征在于，所述上下电极为金属、导电晶体或导电高分子材料。
6.根据权利要求1所述的纳米压电微能源系统，其特征在于，所述电介质层材料为钛酸钡、涤纶、苯乙烯或聚偏氟乙烯。
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