CN109037352A - 一种基于移动肖特基结的直流发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及绿色能源获取技术领域，公开了一种基于移动肖特基结的直流发电机，由两部分构成：一部分包括半导体衬底层，另一部分包括导电薄膜层，其制备方法是：先在半导体衬底材料背面制作第一电极；再在柔性导电薄膜材料上制作第二电极；之后将柔性的导电薄膜材料层压到半导体衬底表面相互接触移动，即得到基于移动肖特基异质结的直流发电机，相互移动即可得到直流电信号。本发明的基于移动肖特基结的发电机，利用肖特基结区的漂移电荷在内建电场下定向分离，可以将外界的机械能转换为直流电，从而可以为各种电子设备提供可再生的绿色清洁能源。不需要使用压电材料，且器件结构与工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于移动肖特基结的直流发电机及其制备方法，属于能源获取器件技术领域。
背景技术
随着电子设备的快速发展，人们对于能源特别是便携能源的需求日益增加。常见的比如锂电池可以为这些电子设备提供能量，但却存在有限容量以及环境污染的问题。相应的就无法满足一些特殊极限环境下的应用。近年来，纳米发电机作为一种重要的新型绿色能源器件，引起了研究和产业界的广泛关注。其可以将自然界中机械能、潮汐能等的绿色能量转换为电学输出，从而可以为各种电子设备提供可再生的绿色清洁能源，不收环境限制且无污染可以在很大程度上缓解能源危机。
2006年，在原子力显微镜的帮助下，王中林小组利用竖直结构的氧化锌 (ZnO)纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置——直立式纳米发电机。氧化锌纳米线一端固定并与一个电极连接，当氧化锌纳米线的另一自由端在驱动电极的作用下受力形变，纳米线一侧将受压缩而另一侧将被拉伸。由于氧化锌同时具有半导体和压电性质，这就使得纳米线拉伸和压缩的两个相对侧面分别产生正、负压电电势，从而可以实现机械能到电能的转化、整流和输出。但是，驱动电极与氧化锌纳米线距离需要精确控制，少量的误差就会造成发电机不能正常工作；工作时自由端和驱动电极要不断接触和摩擦，由此可能造成纳米线和电极的磨损，进而影响纳米发电机的性能和寿命。本发明我们可以利用没有压电特性的普通硅或者砷化镓等半导体，与导电薄膜材料如石墨烯膜等接触得到了全新的基于移动肖特基结的直流发电机，没有材料和距离精度的限制。利用柔性结构实现了宏观的电信号输出，不需要整流即可输出直流电信号；且工作稳定，磨损较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动肖特基结的直流发电机及其制备方法。
本发明的基于移动肖特基结的直流发电机，包括两部分，一部分为半导体衬底层，在其一侧设有第一电极，另一部分为导电薄膜层，在其一侧设有第二电极，半导体衬底层的裸露侧与导电薄膜层的裸露侧可移动接触，形成可移动的肖特基异质结。
上述技术方案中，所述的半导体层为硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟中的一种。
所述的导电薄膜层是石墨烯膜、石墨膜、铜膜、铝膜、铂膜、铁膜、金膜或者银膜中的一种。
可以将风能、潮汐能、机械能等中的一种转换为电信号
所述的第一电极与第二电极均选自金、钯、银、铜、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1‐500nm。
制备上述的基于移动肖特基结的直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
先在半导体衬底材料背面制作第一电极；在一定厚度的柔性的导电薄膜材料层上制作第二电极；将柔性的导电薄膜材料层压到半导体衬底表面相互接触，即得到移动肖特基异质结发电机，相互移动即可得到直流电信号。
传统的纳米发电机，从2006年王中林院士发明纳米发电机开始，都需要使用特殊的压电材料，比如ZnO纳米线等。这就在很大程度上限制了其实际应用。本发明首次利用了非压电材料，利用移动的肖特基结，在宏观结构上得到了直流发电机，不需要外加整流电路。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
与传统的纳米发电机相比，本发明的基于移动肖特基结的直流发电机，不需要使用压电半导体材料。且不需要微观的探针结构与整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电。原理与结构上属于首创，具有先进性。且采用柔性薄膜，磨损较少，工作稳定。
附图说明
图1为基于移动肖特基结的直流发电机的结构示意图；
图2为基于石墨烯/N型硅移动肖特基结的直流发电机的三维结构示意图。
图3为基于石墨烯/N型硅移动肖特基结的直流发电机的电压输出与移动速度的关系。
图4为基于铝膜/N型硅移动肖特基结的直流发电机的电压输出。
图5为基于铝膜/N型砷化镓移动肖特基结的直流发电机的连续电流输出及其装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的基于移动肖特基结的直流发电机，先在半导体衬底材料背面制作第一电极；在一定厚度的柔性的导电薄膜材料层如石墨烯膜或者金属膜上制作第二电极；将柔性的导电薄膜材料层压到半导体衬底表面相互接触，即得到移动肖特基异质结发电机，相互移动即可得到直流电信号。导电薄膜材料与半导体衬底形成肖特基结，在相互接触时形成内建电场。随着相互之间的移动，伴随着邻近区域的内建电场生成与消失，器件的结区会产生扩散电流和漂移电流。肖特基结移动的时候，漂移电流会大于扩散电流，从而产生电信号输出。其本质上是结区附近的漂移电荷在内建电场下的分离过程。
实施例1：
1)在N型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；
2)将石墨烯膜裁剪到需要的尺寸，正面制作电极，材质为银浆，然后烘干；
3)将石墨烯膜压在N型硅衬底上，相互移动即可得到一个基于移动肖特基结的直流发电机，产生电信号。
所述的石墨烯膜/N型硅移动肖特基结直流发电机结构示意图如图2所示。用手将石墨烯膜在硅表面移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为 0.2V。如图3所示，输出电压的大小和速度有关，速度越大，输出电压越大，然后趋于饱和。
实施例2：
1)在N型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；
2)将铝膜裁剪到需要的尺寸，正面制作电极，材质为铜导线；
3)将铝膜压在N型硅衬底上，相互移动即可得到一个基于移动肖特基结的直流发电机，产生电信号。
所述的铝膜/N型硅移动肖特基结直流发电机，只需用手将铝膜在硅表面移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为0.6V，如图4所示。
实施例3：
1)在N型掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；
2)将铝膜裁剪到需要的尺寸，正面制作电极，材质为铜导线；
3)将铝膜压在N型砷化镓衬底上，相互移动即可得到一个基于移动肖特基结的直流发电机，产生电信号。
所述的铝膜/N型砷化镓移动肖特基结直流发电机的持续发电结构设置如图5 所示，只需将铝膜在砷化镓表面不停移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为0.5V的连续直流信号。
实施例4
1)在N型掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；
2)将铜膜裁剪到需要的尺寸，正面制作电极，材质为铜导线；
3)将铜膜压在N型砷化镓衬底上，相互移动即可得到一个基于移动肖特基结的直流发电机，产生电信号。
所述的铜膜/N型砷化镓移动肖特基结直流发电机，只需将铜膜在砷化镓表面移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为0.3V。
实施例5
1)在P型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；
2)将金膜裁剪到需要的尺寸，正面制作电极，材质为铜导线；
3)将金膜压在P型硅衬底上，相互移动即可得到一个基于移动肖特基结的直流发电机，产生电信号。
所述的金膜/P型硅移动肖特基结直流发电机，只需将金膜在硅表面移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为0.3V。
Claims (7)
1.一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于，该直流发电机包括两部分，一部分为半导体衬底层（2），在其一侧设有第一电极（1），另一部分为导电薄膜层（3），在其一侧设有第二电极（4），半导体衬底层的裸露侧与导电薄膜层的裸露侧可移动接触，形成可移动的肖特基异质结。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于，所述的半导体衬底层（2）为硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于，所述的导电薄膜层（3）是石墨烯膜、石墨膜、铜膜、铝膜、铂膜、铁膜、金膜或者银膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于，所述的第一电极（1）与第二电极（4）均选自金、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于可以将风能、潮汐能、机械能等中的任一种转换为电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机，其特征在于产生的电信号为直流电信号。
7.制备如权利要求1-6任一项所述的一种基于移动肖特基结的直流发电机的方法，其特征在于，制备过程包括如下步骤：
先在半导体衬底材料背面制作第一电极；在一定厚度的柔性的导电薄膜材料上制作第二电极；将柔性的导电薄膜材料层压到半导体衬底表面相互接触，即得到移动肖特基异质结发电机，相互移动即可得到直流电信号。
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2018
- 2018-07-06 CN CN201810739256.2A patent/CN109037352A/zh active Pending
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