CN116582023A - 一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法，所述的发电机包括两大部分，一部分包括金属层，另一部分包括由薄膜聚合物层覆盖部分半导体衬底层所形成的第一表面，金属层可在第一表面上水平接触滑动。金属与半导体衬底紧密接触形成肖特基结，其内建电场将加速肖特基结区水平移动产生的扩散载流子并定向输出，而金属与聚合物层的水平移动会导致各自表面积累大量电荷，从而形成很大的电势差，该电势差会作用于金属/半导体界面，调控后者输出的电压和电流大小。本发电机内阻小，输出电压大，可串联使用，或通过选择材料或聚合物面积大小调控输出电压，可以直接驱动一些便携式电子设备，且该发电机制备简单、成本低。

Description

一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其 制备方法

技术领域

本发明涉及一种直流发电机及其制造方法，尤其涉及一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制造方法，属于新型绿色可再生能源获取领域。

背景技术

近年来，物联网、柔性器件等技术的快速发展对能源供应端提出了新挑战，为了适应广泛分布的各种微小型、便携式电子设备，新型供电器件需要能够随时随地供应能源并且具备轻便可携带的特点。由于小型电子设备数量庞大，化学电池供电无法持续供电，定期更换成本过高，因此最理想的供电器件是微小型发电机。

传统的电磁发电机受限于电磁线圈，难以在空间和质量上小型化和轻便化；太阳能发电受到光照时间以及露天环境的限制；压电及摩擦纳米发电机等受限于材料过大的内阻，电流很小且产生的是需要整流电路的直流电。为了适应不同应用场景下的供电需求，亟需能够稳定、轻便且高功率的具备新型物理内涵的发电机。

机械能是环境中分布最广泛的能源，不受时间、地域的限制，是供应原位能源的理想来源。动态二极管发电机和金属-聚合物摩擦发电机都是能够高效收集环境中低频机械能的发电器件。然而前者虽然能输出直流电但输出电压较低，后者输出电压大但是内阻过大且输出的是交流电。

因此，本发明设计了一种新型直流发电机，在动态肖特基结二极管发电机的基础上，将聚合物作为界面材料引入金属/半导体之间来调控肖特基结区的场强，从而产生更强的输出电压。利用聚合物与金属之间的摩擦起电效应在界面处积累大量电荷，从而产生电势差作用于肖特基结区，使得反弹载流子能够获得更大的能量，提高动态肖特基结发电机的输出性能。本发明的器件利用金属和聚合物之间的摩擦起电效应在界面处积累电荷，并形成电势差。而半导体衬底也起聚合物层的电极作用，因此该电势差也作用于金属和半导体之间，施加在肖特基结区。在金属水平运动时，该电势差产生的电场与内建电场共同作用于扩散载流子，将其反弹形成反弹电流并输出直流电。往不同的方向运动，产生的电势差方向也不同，输出的电压大小也会改变，但是输出方向只由金属和半导体的费米能级决定，与运动方向无关。此外，本发明的利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其输出电压主要受金属层保持接触所受到的压力、水平运动时的速度以及运动的距离有关，通过改变以上参数和材料间的费米能级差，可以设计输出电压。以铝/聚酰亚胺/硅结构的动态肖特基二极管器件为例，在压力为10N、运动速度为5cm/s的情况下，实现了高达1.54V/0.5μA的输出。发电机的性能还可以通过串联多个发电机进一步提高。本发明的器件主要材料为金属和半导体，内阻小，供电过程中能量损耗低，且输出直流电，节约了整流电路的成本和空间，具有可重复和轻质化的优点。其器件结构和工艺流程简单、成本低的特点，在便携式发电设备领域有着巨大的发展潜力和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携、稳定且工艺简单的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法。

本发明的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，包括两大主体部分，第一部分包括金属电极以及与金属电极紧贴的金属层；第二部分包括半导体衬底、覆盖了半导体衬底的部分表面的薄膜聚合物层以及合金电极层。薄膜聚合物层以及未被覆盖的半导体衬底表面构成第一表面，金属层与所述第一表面直接接触，并且二者可以水平相对滑动，组成动态的异质结直流发电机。

上述技术方案中，所述的金属为石墨烯、铝、金、铂、银、钛、铁、铜中的一种。

所述的半导体衬底为硅、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，且与金属层的费米能级不同。

所述的聚合物为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚酰胺纤维中的一种。

所述的合金电极层为金、钯、镍、钛、铬、银、铂和铝的其中一种或者几种的复合电极，其厚度为10nm-500nm。

所述的金属电极起连接金属层和导线的作用。

制备上述的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，包括如下步骤：

1)在半导体衬底背面用热蒸镀法均匀生长背电极即合金电极层；

2)将步骤1)所得材料进行表面清洗并干燥；

3)在半导体衬底正面的一部分表面上旋涂薄膜聚合物层，厚度为50nm～50μm；

4)将带有金属电极的金属层压到半导体衬底正面上，并保持同时与半导体衬底裸露表面以及薄膜聚合物层形成可滑动的接触，形成基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机；

5)使金属层在半导体衬底和薄膜聚合物层上相对水平移动，即可产生直流电信号。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机具有独特的物理内涵，利用聚合物与金属之间的摩擦起电效应在界面处积累大量电荷，从而产生电势差作用于肖特基结区，使得反弹载流子能够获得更大的能量，提高动态肖特基结发电机的输出性能。本发明相比于传统结构的动态二极管发电机具有高输出电压的优势，而比之于基于金属/聚合物结构的发电机本发明有更高的输出功率、低内阻和直流发电的优点。本发明的器件利用金属和聚合物之间的摩擦起电效应在界面处积累电荷，并形成电势差。而半导体衬底也起聚合物层的电极作用，因此该电势差也作用于金属和半导体之间，施加在肖特基结区。在金属水平运动时，该电势差产生的电场与内建电场共同作用于扩散载流子，从而调控输出的大小。往不同的方向运动，产生的电势差方向也不同，输出的电压大小也会改变，但是输出方向只由金属和半导体的费米能级决定，与运动方向无关。此外，本发明的利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其输出电压主要受金属层保持接触所受到的压力、水平运动时的速度以及运动的距离有关，通过改变以上参数和材料间的费米能级差，可以设计输出电压。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、输出电压可调控、内部阻抗小等优点，器件结构和工艺流程简单，适合大规模量产。

附图说明

图1为基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机的结构示意图；

图2为基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机的原理图；

图3为经过调控的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机不同电压和电流的输出图。

图4为未覆盖聚合物层时，动态铝/N-硅异质结发电机的输出电压和电流。

图5为不同金属运动距离下利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机的输出电压和电流图。

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，为本发明基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机的一种具体实例结构示意图，该发电机包括两大主体部分，第一部分包括金属电极1以及与金属电极紧贴的金属层2；第二部分包括半导体衬底3、覆盖了半导体衬底的部分表面的薄膜聚合物层4以及合金电极层5。金属层与薄膜聚合物层以及裸露的半导体衬底表面直接接触，并且可以水平滑动，组成动态异质结直流发电机。

这种新颖的发电机利用金属和聚合物之间的摩擦起电效应在界面处积累电荷，并形成电势差并作用于金属和半导体之间，施加在肖特基结区。在金属水平运动时，该电势差产生的电场与内建电场共同作用于扩散载流子，将其反弹形成反弹电流并输出直流电。这种具有小内阻和大功率的发电机可以串联使用，输出电压可以调节，可以直接驱动某些便携式电子设备。此外也可以通过调节材料的费米能级大小以及聚合物薄膜的面积大小来调控输出的电压；除此之外，该直流发电机还具有低成本，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型硅衬底背面用热蒸镀法均匀生长铝电极；

2)将步骤1)所得N型硅片进行表面清洗并干燥；

3)在N型硅片正面的一部分表面上旋涂聚酰亚胺，厚度约50μm；

4)将带有电极的铝箔正面压到N型硅衬底正面上，并保持同时与该面中N型硅裸露的表面以及聚酰亚胺形成可滑动的接触，形成基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机；

5)使铝箔在半导体衬底和聚合物层上相对水平移动，即可产生直流电信号。

该发电机的原理图如图2所示，以基于铝/聚酰亚胺/N-硅动态二极管发电机为例，随着金属层的运动，金属与聚酰亚胺之间因为摩擦起电效应在表面积累大量电荷。作为聚合物层电极的半导体衬底与金属之间形成电势差，作用在肖特基结区。而肖特基因金属运动而被破坏，扩散载流子受到该电势差和内建电场的共同作用而被反弹，在外部电路输出直流电。本发电机产生的输出也可以由运动方向进行调控。图3为基于铝/聚酰亚胺/N-硅动态二极管发电机在受到压力为10N、运动速度约5cm/s时水平运动2cm距离所输出的电压和电流。而在不使用聚合物层时，在运动速度、施加压力以及运动距离等参数相同的情况下，基于铝/N-硅动态二极管发电机输出的电流和电压如图4所示。相比之下，使用聚合层后，不仅输出可以调控，而且可以将电压和电流分别从0.3V和0.4μA提高到约0.9V和0.5μA。

实施例2

1)在P型硅衬底背面用热蒸镀法均匀生长镍/金合金背电极；

2)将步骤1)所得P型硅片进行表面清洗并干燥；

3)在P型硅片正面的一部分表面上旋涂聚酰亚胺，厚度约50μm；

4)将带有电极的银箔正面压到P型硅衬底正面上，并保持同时与该面中P型硅裸露的表面以及聚酰亚胺形成可滑动的接触，形成基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机；

5)使银箔在半导体衬底和聚合物层上相对水平移动，即可产生直流电信号，输出电压可达1.3V。

实施例3

1)在P型硅衬底背面用热蒸镀法均匀生长金/镉合金背电极；

2)将步骤1)所得P型硅片进行表面清洗并干燥；

3)在P型硅片正面的一部分表面上旋涂聚酰亚胺，厚度约50μm；

4)将石墨烯转移到合适的基板上并用导电银浆制作电极。

5)将石墨烯正面压到P型硅衬底正面上，并保持同时与该面中P型硅裸露的表面以及聚酰亚胺形成可滑动的接触，形成基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机；

6)使石墨烯在半导体衬底和聚合物层上相对水平移动，即可产生直流电信号，能够输出高达0.33V的电压。

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4为不同金属运动距离下利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机的输出电压和电流图。金属层滑动的距离不同，金属/聚合物界面摩擦积累电荷形成的电势差大小也会不同，并且在金属/半导体界面破坏肖特基结和反弹的载流子数目也会不同。因此本发电机的输出电压和电流会随着运动距离的增加而快速增大。以铝/聚酰亚胺/P-硅为例，在压力为10N、运动速度为5cm/s的情况下，在运动距离为1cm时，输出的电压为0.5V，电流为0.18μA，而当运动距离增大到3cm，输出的电压和电流分别达到了1.54V和0.54μA。

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 (5)

1.一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，该直流发电机包括两大部分，第一部分包括金属电极(1)以及金属层(2)；第二部分包括半导体衬底(3)、薄膜聚合物层(4)以及合金电极层(5)；第一部分中金属电极(1)与金属层(2)连接并作为电极引出，第二部分中合金电极层(5)与半导体衬底(3)连接并作为电极引出，薄膜聚合物层(4)覆盖半导体衬底的部分表面后与未被覆盖的半导体衬底表面形成第一表面，所述金属层(2)与所述第一表面直接接触，并且二者可以水平滑动，形成动态异质结直流发电机。

2.根据权利要求1所述的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的半导体衬底(3)和金属层(2)所用材料的费米能级不同，且所述的金属层(2)选自石墨烯、铝、金、铂、银、钛、铁、铜中的一种，所述的半导体衬底(3)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。

3.根据权利要求1所述的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的合金电极层(5)选自金、钯、镍、钛、铬、银、铂和铝中一种或者几种的复合电极，其厚度为10nm-500nm。

4.根据权利要求1所述的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的薄膜聚合物层(4)为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚酰胺纤维中的一种。

5.制备如权利要求1-4任一项所述的基于利用界面材料的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)在半导体衬底背面用热蒸镀法均匀生长背电极即合金电极层；

2)将步骤1)所得材料进行表面清洗并干燥；

3)在半导体衬底正面的一部分表面上旋涂薄膜聚合物层；

4)将带有金属电极的金属层压到半导体衬底正面上，并保持同时与半导体衬底裸露表面以及薄膜聚合物层形成可滑动的接触，形成基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机；

5)使金属层在半导体衬底和薄膜聚合物层上相对水平移动，即可产生直流电信号。