CN111431433B - 一种基于动态半导体同质结的直流发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态半导体同质结的直流发电机，主要由两片具有不同费米能级同种掺杂类型但不同掺杂浓度的同种半导体材料构成，两片不同掺杂浓度和费米能级的同种半导体层之间相互接触滑动即可得到直流电信号输出。本发明的发电机无需外接整流或者储能电路即可为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源；且作为基于半导体同质结构的多子器件，器件的内阻在千欧级别，与负载电子电路基于半导体结构的元器件电阻相匹配，从而减少了供电过程中的电量损耗，且通过添加特定的介电层可以大大提高发电电压等性能，器件结构和工艺流程简单、成本低，未来在智能可穿戴设备、物联网等电子电路系统的集成式原位能源供应上有着广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机及其制备方法，属于新型便携式原位能源供应技术领域。
背景技术
近年来随着物联网、可穿戴电子设备、微纳器件等快速发展，传统的发电机无法满足其能源需求。传统的太阳能发电机受太阳光照的限制；电磁发电机受限于大体积的线圈；锂电池等化学电池依赖于外部能源补给；传统纳米发电机受限于位移电流电流密度小充电慢。我们迫切需求一种轻质化、微型化、高电流密度、可持续供应直流电的具有新型物理内涵的发电机。机械能作为环境中最广泛存在的能源形式，不受环境、地域的限制，是原位能源供应最合适的来源。
此前发明人发现的动态半导体PN异质结发电机为新型的原位能源供应提供了一种全新的平台，但不同半导体的使用以及工艺流程限制了其应用；基于传统发电机原理，采用同种掺杂类型的同种半导体一直无法实现发电。在本发明中，我们利用两片具有不同费米能级和同掺杂类型不同掺杂浓度的同种半导体制备了动态半导体NN/PP同质结直流发电机，半导体之间相互接触并滑动即可输出直流电。一方面，同质结作为多子器件且具有极高的在载流子迁移率，可以输出极高的电流密度；另一方面NN和PP结的使用打破了材料和工艺的限制。外部机械运动打破了NN/PP同质结结区扩散-漂移电荷的平衡，并在内建电场作用下实现电荷的定向分离产生电流，无需外接整流或者储能电路即可为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源。且本发明的NN/PP同质结器件由于使用了半导体材料而不是绝缘材料，内阻在千欧级别，与基同样基于半导体结构的负载电子电路的电阻相匹配，从而减少了供电过程中的电量损耗。进一步通过界面能带设计，添加特定的介电层可以大大提高发电电压等性能，器件结构和工艺流程简单、成本低，未来在智能可穿戴设备、物联网等电子电路系统的集成式原位能源供应上有着广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于动态半导体NN/PP同质结(即NN同质结或PP同质结)的直流发电机及其制备方法。
本发明的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，该直流发电机包括两部分，一部分为第一片半导体层，在其背面设有第一电极，正面设有一层介电层；另一部分为第二片半导体层，是与第一片半导体层具有不同费米能级的同种半导体，在其背面设有第二电极，第一片半导体层的介电层侧与第二片半导体层的正面紧密贴合并相互滑动即可产生电输出。
上述技术方案中，所述的第一片半导体层和第二片半导体层为硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、碲化镉、氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、二碲化钼、二硒化钼、二硫化钨等半导体材料中的一种。这里所用的两片半导体是具有不同费米能级和同种掺杂类型但不同掺杂浓度的同种半导体。
所述的介电层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化铪、氮化硼等材料中的一种，厚度不超过100nm。
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。
所述的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，由于采用半导体同质结构，内阻在千欧姆级别，和常用电子电路基于半导体结构的元器件内阻匹配，处于同一数量级。
所述的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，无需外加整流电路即可产生直流电信号，且由于是多子器件电流密度极高，比其他纳米发电机高几个数量级。
制备上述的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在第一片半导体层背面制作第一电极；
2)在第一片半导体层正面生长一层介电层；
3)在第二片半导体层背面制作第二电极；
4)将第二片半导体层正面压到第一片半导体层的介电层表面形成可滑动接触，得到基于动态半导体异质结的直流发电机，将两种半导体层相互移动，即可产生直流电信号。
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，本发明的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，基于半导体结构与物理，因此可以输出高电流密度的直流电；与传统的电磁发电机相比，不需要线圈以及外加整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电，工作稳定，工艺步骤和器件结构简单，有利于微型集成化；与传统的太阳能电池相比，不需要光照，可以实现随时随地不受环境限制发电；此前申请人发现基于PN异质结可实现动态直流发电，然而与传统纳米发电机一样其需基于两种不同的材料，在材料选择与工艺上限制了其发展。在传统的发电机中，只有两种不同的材料才可能发电，基于同种掺杂类型的同种半导体材料无法实现发电。本发明的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机首次实现了同质结的发电。因此与动态异质结发电机相比，同质结减少了工艺复杂度以及实现晶格结构的匹配减少能量损耗；与动态半导体PN结发电机相比，NN/PP同质结作为多子器件，且有更高的载流子迁移率。原理与结构上属于首创，具有先进性，克服了对材料、结构以及工作原理的限制，实现了连续高效的机械能电转换。
附图说明
图1为基于动态半导体NN同质结的直流发电机的结构示意图；
图2为基于N型硅/N型硅动态同质结的直流发电机的I-V曲线图；
图3为动态半导体NN同质结的直流发电机的能带示意图；
图4基于N型硅/N型硅动态同质结的直流发电机的电流输出曲线；
图5基于N型硅/10nm氧化铝/N型硅动态同质结的直流发电机的I-V曲线图；
图6基于N型硅/介电层/N型硅动态同质结的直流发电机的能带示意图；
图7基于N型硅/10nm氧化铝/N型硅动态同质结的直流发电机的电压输出曲线；
图8基于P型砷化镓/介电层/P型砷化镓动态同质结的直流发电机在不同介电材料下的电压输出。
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，本发明的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，先在第一片半导体材料层1背面制作第一电极2，正面生长一层介电层3；再在第二片半导体材料层4背面制作第二电极5；之后将第一片半导体材料层1介电层一面压到第二片半导体材料层4正面紧密接触并相互滑动，即得到基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机。其中第一片半导体材料层1与第二片半导体材料层4采用的是同种掺杂类型但不同掺杂浓度的同种半导体，接触会形成同质结，具有整流特性(如图2)。外部机械运动打破了结区扩散-漂移电荷的平衡，并在内建电场作用下实现电荷的定向分离产生电流，如图3所示。作为多子器件，基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机克服了对材料、结构以及工作原理的限制，实现了连续高效的高电流密度电输出。进一步通过界面能带设计，添加特定的介电层可以大大提高发电电压等性能，成功实现对原器件的直接快速供能。
实施例1：
1)在N型掺杂的硅片(电阻率0.01Ω.cm)上的背面制作电极，材质为20nm钛/50nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在硅片上的正面不生长介电层；
3)在另一片N型掺杂的硅片(电阻率0.5Ω.cm)上的背面制作电极，材质为20nm钛/50nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
4)将第二片硅片正面贴覆在第一片硅片的正面上，接触并相互移动即可得到一个基于动态半导体NN硅同质结的直流发电机，产生电信号。
所述的动态半导体NN同质结的直流发电机在连续的外界机械运动驱动下，可以连续输出直流图4所示，产生的直流电流大小约为20μA，产生的电压大小约为0.1V，电流密度高达214A/m2。
实施例2：
1)在N型掺杂的硅片(电阻率0.01Ω.cm)上的背面制作电极，材质为10nm钛/100nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在硅片上的正面生长一层10nm的氧化铝；
3)在另一片N型掺杂的硅片(电阻率50Ω.cm)上的背面制作电极，材质为10nm铬/100nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
4)将第二片硅片正面贴覆在第一片硅片的氧化铝层上，接触并相互移动即可得到一个基于动态半导体NN硅同质结的直流发电机，产生电信号。
本例通过将N型硅片压在另一片生长了一层10nm氧化铝的N型硅片上得到N型硅/氧化铝/N型硅动态同质结直流发电机，通过上下两部分相互移动即可输出电信号。N型硅/氧化铝/N型硅动态同质结直流发电机的I-V曲线图如图5所示，相互接触即形成一个内建电场，具有更好整流特性。如图6所示，与N型硅/N型硅同质结相比，添加氧化铝之后界面势垒高度提高，加剧了界面扩散电荷的反弹与定向分离从而提升了输出电压，产生电压大小大约为1.3V(图7)，可以给电子元器件快速供电。
实施例3：
1)在P型掺杂的重砷化镓片上的背面制作电极，材质为30nm钛/70nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
2)在硅片上的正面生长10nm氧化锌；
3)在另一片P型轻掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为100nm银电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；
4)将第二片砷化镓片的正面贴附在第一片砷化镓片的氧化锌层上，接触并相互移动即可得到一个基于动态半导体PP砷化镓同质结的直流发电机，产生电信号。产生的电压大小约为0,5V，不同介电层的电压输出如图8所示。
实施例4：
1)在P型重掺杂的砷化镓片上制作背电极，材质为10nm铬/50nm金电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；
2)在砷化镓片正面不生长绝缘层；
3)在另一片P型轻掺杂的砷化镓片上制作背电极，材质为10nm铬/50nm金电极；
4)将第二片砷化镓片正面贴附在第一片砷化镓片的正面上，接触并相互移动即可得到一个基于动态半导体PP砷化镓同质结的直流发电机，产生电信号。
实施例5：
1)在N型重掺杂的氮化镓片上制作背电极，材质为5nm钛/50nm金电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；
2)在氮化镓片正面生长一层5nm的氧化铪作为介电层；
3)在另一片N型轻掺杂的氮化镓片上制作背电极，材质为10nm钛/50nm金电极；
4)将第二片氮化镓片正面贴附在第一片氮化镓片的氧化铪层上，接触并相互移动即可得到一个基于动态半导体NN氮化镓同质结的直流发电机，产生电信号。
经大量实验研究发现，本发明的直流发电机中介电层的厚度最佳范围为5-50nm，当介电层厚度过厚时载流子无法通过，介电层太薄则势垒高度增加有限。适当的介电层厚度可以大大提高发电机的输出电压，并且有限的降低电流输出。根据能带结构设计，氧化铝具有最好的电压提升效果。
Claims (6)
1.一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，该直流发电机包括两部分，一部分为第一片半导体层(1)，在其背面设有第一电极(2)，正面设有一层介电层(3)；另一部分为第二片半导体层(4)，是与第一片半导体层(1)具有不同费米能级同掺杂类型的同种半导体材料，在第二片半导体层(4)背面设有第二电极(5)，第一片半导体层的介电层侧与第二片半导体层的正面紧密贴合并相互滑动即可产生电输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，所述的第一片半导体层(1)以及第二片半导体层(4)均选自硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、碲化镉、氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、二碲化钼、二硒化钼、二硫化钨中的一种，且二者为同掺杂类型但不同掺杂浓度的不同费米能级的同种半导体。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，所述的介电层(3)选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化铪中的一种，厚度不超过100nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，所述的第一电极(2)与第二电极(5)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所述的一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，该直流发电机由于基于半导体同质结构，内阻在千欧姆级别，和常用电子电路元器件的内阻匹配，处于同一数量级。
6.制备如权利要求1-5任一项所述的一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，其特征在于，制备过程包括如下步骤：
1)在第一片半导体层(1)背面制作第一电极(2)；
2)在第一片半导体层(1)正面生长一层介电层(3)；
3)在第二片半导体层(4)背面制作第二电极(5)；
4)将第二片半导体层(4)的正面压到第一片半导体层(1)正面的介电层(3)上紧密接触并相对滑动，得到基于动态半导体同质结的直流发电机。
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