CN111786595B - 一种基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型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石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制备方法，是在封闭空间内设有石墨烯层、半导体层，半导体层上设有背电极，石墨烯层和背电极分别通过导线引出，在石墨烯层和半导体层之间填充有极性液体，极性液体可在石墨烯层与半导体层之间流动。本发明利用石墨烯和半导体之间的费米能级差将极性液体极化，在石墨烯/极性液体和极性液体/半导体的接触界面感应出电子或空穴，极性液体在运动过程中，新的电子/空穴不断被感应，旧的电子/空穴被从外部导走输出直流电。这种具有小内阻和大功率的发电机可以串联使用，输出电压可通过石墨烯费米能级调控，可直接驱动某些便携式电子设备，且该发电机制备简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流发电机及其制造方法，尤其涉及一种基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制造方法，属于发电机领域。
背景技术
近年来随着物联网等技术的飞速发展，新型便携式能源已成为广泛分布的传感器和芯片系统能源供应的瓶颈之一。传统的太阳能发电机受太阳光照的时域和地域限制；电磁发电机受限于电磁线圈的体积和质量限制无法微型化；锂电池等化学原料电池无法长时间连续化供电；传统纳米发电机受限于位移电流限制，电流小且需要整流。便携式能源急需一种轻质化、微型化、电流密度高、可持续供应直流电的具有新型物理内涵的发电机，以可持续地从环境中收集能源。
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。因此，本发明设计了一种基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的直流发电机，可以将如水滴等极性溶液的机械能直接从液体/半导体界面利用极化、去极化过程转换成直流电输出。本发明的器件利用石墨烯与半导体之间的费米能级差将极性液体极化，在极性液体运动过程中不断感应出电子/空穴并释放到外电路，形成电流输出。该发电机的发电方向由石墨烯与半导体之间的费米能级差决定，与水等极性液体的运动方向无关。即无论极性液体运动方向如何，外部电流方向始终由费米能级低的一侧流向费米能级高的一侧。此外，本发明的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的直流发电机，其输出电压主要受液体移动速度、极性溶液介电常数、石墨烯与半导体之间的费米能级差影响，通过改变液滴移动速度、更换不同介电常数的极性溶液、调整石墨烯和半导体板之间的费米能级差，都可以设计改变输出电压。以基于石墨烯/水/N-硅动态二极管的直流发电机为例，实现了高达～0.28V/～0.76μA的出色的电压/电流直流电输出。通过串联连接多台发电机，发电机的性能可进一步提高。本发明器件的内阻在千欧级别，与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。本发明所展示的具有新颖机制的发电机具有可重复、低成本且可集成的优点。器件结构和工艺流程简单、成本低，其耐用性和连续性也拓宽了未来在物联网传感等硬件系统供电上的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携、坚固且工艺简单的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制备方法。
本发明的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，是在封闭塑料盒体内设有石墨烯层、半导体层，半导体层上设有背电极，石墨烯层和背电极分别通过导线引出封闭空间，且在石墨烯层和半导体层之间填充有极性液体，极性液体与石墨烯层和半导体层均接触，且极性液体可在石墨烯层与半导体层之间流动。
上述技术方案中，所述的封闭塑料盒体起支撑和封闭作用。所述的石墨烯层为单层或多层石墨烯，且其费米能级可进行调节，如通过化学掺杂、电场调控、原子掺杂等。
所述的极性液体为水、甲醇、乙醇或其他有极性的溶液。
所述的半导体层为硅、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、二硫化钨中的一种。
所述的背电极为金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合电极。
所述的导线起传导电流作用。
制备上述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机的方法，包括如下步骤：
1)在半导体层上用电子束蒸发镀膜方法沉积背电极；
2)将步骤1)所得半导体片进行表面清洗并干燥表面；
3)将石墨烯层固定在塑料盒体内一侧壁上，并连接导线引出至盒体外；
4)将步骤2)所得的半导体层其背电极固定在塑料盒体的对侧壁上，并将背电极连接导线引出至盒体外；
5)在石墨烯层与半导体层之间注入极性液体，并封闭塑料盒体。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机具有独特的物理内涵，其利用石墨烯与半导体之间的费米能级差将极性溶液极化，并在石墨烯/极性溶液和半导体/极性溶液的接触界面感应出相应的电子或空穴，极性液体在运动过程中，新的电子/空穴不断被感应，脱离极性溶液束缚的电子/空穴被从外部导走输出直流电。其发电方向由石墨烯与半导体之间的费米能级差决定，与极性液体的运动方向无关。即无论极性液体运动方向如何，都可产生直流电。本发明的发电机，输出电压主要受液体移动速度、极性液体的介电常数和石墨烯与半导体之间的费米能级差影响，在速度一定的情况下，通过更换不同介电常数的极性液体，或者改变石墨烯层和半导体板之间的费米能级差，都可以设计改变输出电压。并且通过串联，该发电机输出电压可大幅增大。本发明器件的内阻在千欧级别，与那些基于半导体的信息电子设备的阻抗非常匹配，可以节省大量能量损失并输出最大功率，并提高了水滴机械能的有效利用。此外，这种具有高输出功率的动态发电机可以将水滴的动能直接转换为直流电，转换效率高达6.1‰，比在相同条件下最大效率小于1‰的纳米发电机要好得多。本发明所展示的具有新颖机制的发电机具有实现可重复、低成本、可集成、输出电压可调控、转换效率高等优点。其可持续输出恒定方向的直流电，器件结构和工艺流程简单、成本低，具有较高的耐用性，可大规模生产。
附图说明
图1为基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机的结构示意图；
图2为基于石墨烯/水/N-硅动态二极管发电机的实物图；
图3为基于石墨烯/水/N-硅动态二极管发电机的原理图；
图4为基于石墨烯/水/N-硅动态二极管发电机的输出电压-方向图。
图5为不同液体下石墨烯/液体/N-硅动态二极管发电机的输出电压图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，自上而下依次有塑料层1、石墨烯层、极性液体、半导体层、塑料层2，半导体上设有背电极，石墨烯层和背电极上分别引出导线1和导线2；极性液体与石墨烯层及半导体层接触，且极性液体可在石墨烯层与半导体层之间流动，塑料层1和塑料层2起到支撑作用，两塑料层间四周采用塑料封闭，形成封闭的塑料盒体(图1中未画出)。
这种新颖的发电机利用石墨烯和半导体之间的费米能级差引起的水分子极化的动态变化，产生直流电。这种具有小内阻和大功率的发电机可以串联使用，输出电压可以调节，可以直接驱动某些便携式电子设备。除此之外，该直接发电器还具有低成本，小巧，坚固的结构等优点，器件制备工艺简单且成熟。
实施例1
1)在N-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极，厚度为50nm；
2)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；
3)将单层石墨烯引出导线并固定在2英寸样品盒盖上；
4)将清洗后所得的N-硅在背电极层引出导线并将背电极一面固定在2英寸样品盒底部；
5)在样品盒中注入去离子水，将样品盒盖封上。
图2为基于石墨烯/水/N-硅动态二极管发电机的实物图。该发电机的原理图如图3所示，以基于石墨烯/水/N-硅动态二极管发电机为例，水中的水分子在接触石墨烯和硅衬底之后，杂乱排布的水分子因石墨烯(EF＝-4.60eV)与N-硅(EF＝-4.34eV)之间的费米能极差而被极化；带负电的氧原子靠近石墨烯层并在石墨烯中感应出带正电的空穴，带正电的氢原子靠近硅层并在硅层中感应出带负电的电子；水滴在向前运动过程中，新的电子和空穴被不断感应，脱离水分子束缚的电子和空穴被从外部电路导走，形成传导电流；同时磁场的变化在内部产生位移电流，从而形成闭合回路。图4为基于石墨烯/水/N-硅动态二极管直流发电机的输出电压-方向图，改变液滴的移动方向，输出电压方向不变。
实施例2
1)在P-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极，厚度为50nm；
2)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；；
3)将双层石墨烯引出导线并固定在2英寸样品盒盖上；
4)将清洗后所得的P-硅在背电极层引出导线并将背电极一面固定在2英寸样品盒底部；
5)在样品盒中注入甲醇，将样品盒盖封上。
实施例3
1)在N-氮化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极，厚度为50nm；
2)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；；
3)将单层石墨烯引出导线并固定在2英寸样品盒盖上；
4)将清洗后所得的N-氮化镓在背电极层引出导线并将背电极一面固定在2英寸样品盒底部；
5)在样品盒中注入去乙醇，将样品盒盖封上。
实施例4
1)在P-砷化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极，厚度为50nm；
2)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；；
3)将三层石墨烯引出导线并固定在2英寸样品盒盖上；
4)将清洗后所得的P-砷化镓在背电极层引出导线并将背电极一面固定在2英寸样品盒底部；
5)在样品盒中注入0.1mol/L氯化钠水溶液，将样品盒盖封上。
此外，经大量实验研究，本发明中半导体层还可以选用铟镓砷、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、二硫化钨中的任一种，制得的样品均可产生直流电输出，具体制备方法不再赘述，本领域技术人员根据本发明的技术方案描述均可实现。
图5为不同液体下石墨烯/液体/N-硅动态二极管发电机的输出电压图。水、甲醇、乙醇均为极性液体，石墨烯/极性液体/N-硅动态二极管发电机可输出电压。四氯化碳和正己烷为非极性溶液，不能输出电压。且水的介电常数为78.3，甲醇的介电常数为32.6，乙醇的介电常数24.3，在其他条件不变的情况下，介电常数越大，发电电压越小，其中，石墨烯/甲醇/N-硅动态二极管发电机的输出可以达到0.6V，而石墨烯/乙醇/N-硅动态二极管发电机的输出可达0.65V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，是在封闭空间内设有石墨烯层、半导体层，半导体层上设有背电极，石墨烯层和背电极分别通过导线引出，且在石墨烯层和半导体层之间填充有极性液体，所述的极性液体与石墨烯层、半导体层均接触，且极性液体可在石墨烯层与半导体层之间流动；所述发电机利用石墨烯与半导体之间的费米能级差将极性液体极化，在极性液体运动过程中不断感应出电子/空穴并释放到外电路，形成电流输出。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的石墨烯层为单层或多层石墨烯，且费米能级可调。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的极性液体为水、甲醇、乙醇或其他有极性的溶液。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的半导体层为硅、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、二硫化钨中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的背电极为金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合电极。
6.制备如权利要求1-5任一项所述的基于石墨烯/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在半导体层上用电子束蒸发镀膜方法沉积背电极；
2）将步骤1）所得半导体片进行表面清洗并干燥；
3）将石墨烯层固定在塑料盒体内一侧壁上，并连接导线引出至盒体外；
4）将步骤2）所得的半导体层及其背电极固定在塑料盒体的对侧壁上，并将背电极连接导线引出至盒体外；
5）在石墨烯层与半导体层之间注入极性液体，并封闭塑料盒体。
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