RU221988U1 - PIEZOELECTRIC NANOGENERATOR BASED ON TWO ARRAYS OF VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES - Google Patents

PIEZOELECTRIC NANOGENERATOR BASED ON TWO ARRAYS OF VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES Download PDF

Info

Publication number
RU221988U1
RU221988U1 RU2023126152U RU2023126152U RU221988U1 RU 221988 U1 RU221988 U1 RU 221988U1 RU 2023126152 U RU2023126152 U RU 2023126152U RU 2023126152 U RU2023126152 U RU 2023126152U RU 221988 U1 RU221988 U1 RU 221988U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vertically oriented
carbon nanotubes
oriented carbon
array
contact electrode
Prior art date
Application number
RU2023126152U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Марина Владимировна Ильина
Ольга Игоревна Соболева
Олег Игоревич Ильин
Мария Романовна Полывянова
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU221988U1 publication Critical patent/RU221988U1/en

Links

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении выходной мощности пьезоэлектрического наногенератора за счет эффективного сбора генерируемого потенциала путем увеличения площади контакта верхнего электрода с вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Пьезоэлектрический наногенератор на основе двух массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок состоит из нижней подложки со сформированным на ней нижним контактным электродом, на котором выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, которые выступают в качестве пьезоэлементов. Вершины нанотрубок жестко не зафиксированы на верхнем контактном электроде за счет наличия диэлектрических упоров. В качестве верхнего контактного электрода используют массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, который выращен на верхней подложке со сплошным проводящем слоем. Причем длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок составляет от 10% до 30% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов. 2 ил. The utility model relates to electrical engineering. The technical result consists in increasing the output power of the piezoelectric nanogenerator due to the effective collection of the generated potential by increasing the contact area of the top electrode with the tops of vertically oriented carbon nanotubes. A piezoelectric nanogenerator based on two arrays of vertically oriented carbon nanotubes consists of a lower substrate with a lower contact electrode formed on it, on which vertically oriented carbon nanotubes are grown, which act as piezoelements. The tops of the nanotubes are not rigidly fixed on the upper contact electrode due to the presence of dielectric stops. An array of vertically oriented carbon nanotubes, which is grown on an upper substrate with a continuous conductive layer, is used as the upper contact electrode. Moreover, the length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes is from 10% to 30% of the length of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes, acting as piezoelements. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электроэнергетики, конкретно к устройствам, способным преобразовывать механическую энергию в электрическую за счет прямого пьезоэлектрического эффекта, и может быть использована при создании маломощных источников питания для электроники.The utility model relates to the field of electrical power engineering, specifically to devices capable of converting mechanical energy into electrical energy due to the direct piezoelectric effect, and can be used to create low-power power supplies for electronics.

Функциональным аналогом заявленного объекта является «Пьезоэлектрический генератор» [RU 2446551 C1 от 18 октября 2010 года], содержащий диэлектрическую подложку, вертикальные наноразмерные столбики из пьезоэлектрика, выступающие в качестве пьезоэлементов, и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований. Электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов, и между каждыми двумя электродами имеется зазор. При этом в вершины наноразмерных столбиков введены постоянные наноразмерные магнитные элементы. Принцип работы данного генератора основан на преобразовании энергии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию путем раскачки наноразмерных столбиков под действием возвратно-поступательных движений наноразмерных постоянных магнитных элементов. При качании наноразмерных столбиков за счет возникновения пьезоэлектрического эффекта на их поверхностях создается разность потенциалов, которая передается наноразмерным токосъемным проволочным электродам.A functional analogue of the claimed object is a “Piezoelectric generator” [RU 2446551 C1 dated October 18, 2010], containing a dielectric substrate, vertical nano-sized piezoelectric columns acting as piezoelectric elements, and nano-sized current-collecting wire electrodes laid between rows of vertical nano-sized columns and in contact with them in the areas of their foundations. The electrodes are enclosed in a layer of elastic-plastic insulator, the height of which corresponds to the diameter of the electrodes, and there is a gap between each two electrodes. In this case, permanent nanosized magnetic elements are introduced into the tops of the nano-sized columns. The operating principle of this generator is based on converting the energy of an external alternating magnetic (electromagnetic) field into electrical energy by swinging nano-sized columns under the influence of reciprocating movements of nano-sized permanent magnetic elements. When rocking nano-sized columns, due to the occurrence of a piezoelectric effect, a potential difference is created on their surfaces, which is transferred to nano-sized current-collecting wire electrodes.

Данный генератор позволяет генерировать электрическую энергию для питания различных микро- или наноустройств, а также может быть использован в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования.This generator allows you to generate electrical energy to power various micro- or nanodevices, and can also be used in the production of alternative long-term energy installations.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: The characteristics of the analogue, which coincide with the essential characteristics of the claimed object, are:

а) верхний электрод;a) top electrode;

б) нижний электрод;b) bottom electrode;

в) вертикальная ориентация пьезоэлементов;c) vertical orientation of piezoelements;

г) наноразмерные геометрические параметры пьезоэлементов.d) nano-sized geometric parameters of piezoelements.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость точного позиционирования проволочных электродов между рядами вертикальных наноразмерных столбиков с использованием операций литографии, необходимость дополнительного введения постоянных наноразмерных магнитных элементов в вершины наноразмерных столбиков для повышения энергоэффективности наногенератора.The reasons preventing the achievement of the technical result are: the need for precise positioning of wire electrodes between rows of vertical nano-sized pillars using lithography operations, the need for additional introduction of permanent nano-sized magnetic elements into the tops of nano-sized pillars to increase the energy efficiency of the nanogenerator.

Известен аналог заявляемого объекта – наногенератор на основе вертикально ориентированных вискеров оксида цинка [статья X. Wang, J. Song, J. Liu, Z.L.Wang, «Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves» («Наногенератор постоянного тока, управляемый ультразвуковыми волнами») Science, 316, 2007, 102-105], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, нижний сплошной электрод, вертикально ориентированные нановискеры оксида цинка, выступающие в качестве пьезоэлементов, верхний профилированный контактный электрод, удерживаемый над вершинами пьезоэлементов с помощью диэлектрических упоров. Принцип работы данного наногенератора основан на преобразовании внешнего воздействия в виде ультразвуковой волны в электрический сигнал (напряжение и/или ток) в результате проявления прямого пьезоэлектрического эффекта в нановискерах оксида цинка.There is a known analogue of the claimed object - a nanogenerator based on vertically oriented zinc oxide whiskers [article X. Wang, J. Song, J. Liu, Z.L. Wang, “Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves” (“DC nanogenerator controlled by ultrasonic waves” ) Science, 316, 2007, 102-105], containing a substrate made of dielectric or semiconductor material, a lower solid electrode, vertically oriented zinc oxide nanowhiskers acting as piezoelements, an upper profiled contact electrode held above the tops of the piezoelements using dielectric stops . The operating principle of this nanogenerator is based on the conversion of external influence in the form of an ultrasonic wave into an electrical signal (voltage and/or current) as a result of the manifestation of a direct piezoelectric effect in zinc oxide nanowhiskers.

Данный наногенератор позволяет генерировать энергию величиной 10 фВт с каждого нановискера и с суммарной выходной мощностью на единицу площади до 10 мВт/см2. Данный наногенератор не требует дополнительных операций введения постоянных наноразмерных магнитных элементов, а также позволяет повысить плотность упаковки пьезоэлементов за счет отсутствия проволочных электродов между рядами нановискеров и уменьшения диаметра пьезоэлемента до диаметра индивидуального нановискера.This nanogenerator makes it possible to generate energy of 10 fW from each nanowhisker and with a total output power per unit area of up to 10 mW/cm 2 . This nanogenerator does not require additional operations of introducing permanent nano-sized magnetic elements, and also makes it possible to increase the packing density of piezoelements due to the absence of wire electrodes between the rows of nanowhiskers and reducing the diameter of the piezoelement to the diameter of an individual nanowhisker.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: The characteristics of the analogue, which coincide with the essential characteristics of the claimed object, are:

а) верхний профилированный электрод;a) upper profiled electrode;

б) нижний сплошной электрод;b) bottom solid electrode;

в) диэлектрические упоры; c) dielectric stops;

г) вертикальная ориентация пьезоэлементов;d) vertical orientation of piezoelements;

д) наноразмерные геометрические параметры пьезоэлементов.e) nano-sized geometric parameters of piezoelements.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: низкая выходная мощность из-за рассеивания энергии в виду отсутствия качественных проводящих каналов от каждого пьезоэлемента, а также низкое значение тока, генерируемого одним пьезоэлементом, вызванное высоким удельным сопротивлением нановискеров оксида цинка (0,3 Ом·м).The reasons preventing the achievement of the technical result are: low output power due to energy dissipation due to the lack of high-quality conducting channels from each piezoelectric element, as well as the low current value generated by one piezoelectric element, caused by the high resistivity of zinc oxide nanowhiskers (0.3 Ohm m).

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Наногенератор на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок» [RU 211606 U1 от 16 февраля 2022 года], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, со сформированным сплошным нижним контактным электродом , на которых методом плазмохимического осаждения из газовой фазы выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, которые выступают в качестве пьезоэлементов, верхний контактный профилированный электрод, диэлектрические упоры, обеспечивающие позиционирование верхнего контактного электрода над вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Работает наногенератор следующим образом: в исходном состоянии вертикально ориентированные углеродные нанотрубки находятся в недеформированном состоянии, и их вершины не должны быть жестко зафиксированы на верхнем контактном электроде для сохранения подвижности вершин нанотрубок при внешних механических воздействиях. Далее при внешнем механическом воздействии вершины вертикально ориентированных углеродных нанотрубок отклоняются от своей оси, деформируются и контактируют с верхним профилированным электродом. Ввиду того, что вертикально ориентированные нанотрубки обладают пьезоэлектрическим эффектом, то в результате внешних механических воздействий они деформируются, и возникает разность потенциалов между вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, испытывающих упругие наноразмерные деформации, и заземленным верхним контактным профилированным электродом. Величина генерируемого потенциала определяется величиной пьезоэлектрического модуля вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, величина которого зависит от концентрации дефектов замещения атомов углерода атомами азота со структурой пиррола. Величина генерируемого тока определяется удельным сопротивлением вертикально ориентированных углеродных нанотрубок и плотностью их упаковки на подложке, которая может достигать значений до 100 мкм-2. Предложенное устройство может быть использовано для генерации электрической энергии за счет преобразования внешних механических воздействий, таких как ветер, вибрации и движения тела человека, в том числе наноразмерных деформаций и вибраций.Of the known analogues, the closest in technical essence to the claimed object is the “Nanogenerator based on vertically oriented carbon nanotubes” [RU 211606 U1 dated February 16, 2022], containing a substrate made of dielectric or semiconductor material, with a formed solid bottom contact electrode, on in which vertically oriented carbon nanotubes are grown using the method of plasma-chemical deposition from the gas phase, which act as piezoelectric elements, an upper contact profiled electrode, dielectric stops that ensure the positioning of the upper contact electrode above the tops of vertically oriented carbon nanotubes. The nanogenerator operates as follows: in the initial state, vertically oriented carbon nanotubes are in an undeformed state, and their tops should not be rigidly fixed on the upper contact electrode to maintain the mobility of the tops of the nanotubes under external mechanical influences. Then, under external mechanical influence, the tops of vertically oriented carbon nanotubes deviate from their axis, become deformed and come into contact with the upper profiled electrode. Due to the fact that vertically oriented nanotubes have a piezoelectric effect, as a result of external mechanical influences they are deformed, and a potential difference arises between the tops of vertically oriented carbon nanotubes, which experience elastic nanoscale deformations, and the grounded upper contact profiled electrode. The magnitude of the generated potential is determined by the magnitude of the piezoelectric modulus of vertically oriented carbon nanotubes, the magnitude of which depends on the concentration of defects in the substitution of carbon atoms by nitrogen atoms with a pyrrole structure. The magnitude of the generated current is determined by the resistivity of vertically oriented carbon nanotubes and their packing density on the substrate, which can reach values of up to 100 μm-2. The proposed device can be used to generate electrical energy by converting external mechanical influences, such as wind, vibrations and movements of the human body, including nano-sized deformations and vibrations.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: The features of the prototype that coincide with the essential features of the claimed object are:

а) подложка;a) substrate;

б) верхний профилированный электрод;b) upper profiled electrode;

в) нижний сплошной электрод;c) bottom solid electrode;

г) диэлектрические упоры; d) dielectric stops;

д) наноразмерные геометрические параметры пьезоэлементов e) nano-sized geometric parameters of piezoelements

е) вертикально ориентированные углеродные нанотрубки.f) vertically oriented carbon nanotubes.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: снижение выходной мощности из-за неэффективного сбора генерируемого потенциала на поверхности вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.The reasons preventing the achievement of the technical result are: a decrease in output power due to ineffective collection of the generated potential on the surface of vertically oriented carbon nanotubes.

Технический результат предполагаемой полезной модели – повышение выходной мощности пьезоэлектрического наногенератора за счет более эффективного сбора генерируемого потенциала путем увеличения площади контакта верхнего электрода с вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.The technical result of the proposed utility model is to increase the output power of a piezoelectric nanogenerator due to more efficient collection of the generated potential by increasing the contact area of the top electrode with the tops of vertically oriented carbon nanotubes.

Для достижения необходимого технического результата в пьезоэлектрическом наногенераторе на основе двух массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, состоящем из нижней подложки, со сформированным на ней нижним контактным электродом, на котором выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, которые выступают в качестве пьезоэлементов, вершины нанотрубок жестко не зафиксированы на верхнем контактном электроде за счет наличия диэлектрических упоров, в качестве верхнего контактного электрода используют массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, который выращен на верхней подложке со сплошным проводящем слоем, при чем длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок составляет от 10% до 30% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов.To achieve the required technical result in a piezoelectric nanogenerator based on two arrays of vertically oriented carbon nanotubes, consisting of a lower substrate with a lower contact electrode formed on it, on which vertically oriented carbon nanotubes are grown, which act as piezoelements, the tops of the nanotubes are not rigidly fixed to upper contact electrode due to the presence of dielectric stops, an array of vertically oriented carbon nanotubes is used as the upper contact electrode, which is grown on the upper substrate with a continuous conductive layer, and the length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes is from 10% to 30% of the length of the lower an array of vertically oriented carbon nanotubes acting as piezoelements.

При этом длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок должна составлять от 10% до 30% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов, для того, чтобы обеспечить достаточную для эффективного сбора генерируемого потенциала площадь контакта к вершинам вертикально ориентированных углеродных нанотрубок нижнего массива, испытывающих наибольшую деформацию по действием внешних механических воздействий. Минимальная длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок величиной 10% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок обусловлена предельно допустимым отклонением от высоты диэлектрических упоров, обеспечивающих позиционирование верхнего контактного электрода над вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов, а также необходимостью увеличения площади контакта верхнего электрода к вершинам вертикально ориентированных углеродных нанотрубок нижнего массива для эффективного сбора генерируемого потенциала. Максимальная длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок величиной 30% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок обусловлена необходимостью формирования контакта преимущественно к вершинам нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, испытывающих наибольшую деформацию по действием внешних механических воздействий, а также необходимостью исключить возможность касания вершин верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок нижнего контактного электрода.In this case, the length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes should be from 10% to 30% of the length of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes, acting as piezoelements, in order to provide a sufficient contact area to the tops of the vertically oriented carbon nanotubes for effective collection of the generated potential the lower massif, experiencing the greatest deformation due to external mechanical influences. The minimum length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes, 10% of the length of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes, is determined by the maximum permissible deviation from the height of the dielectric stops, which ensure the positioning of the upper contact electrode above the tops of vertically oriented carbon nanotubes, acting as piezoelements, as well as the need to increase the area contact of the upper electrode to the tops of vertically oriented carbon nanotubes of the lower array for efficient collection of the generated potential. The maximum length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes, 30% of the length of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes, is due to the need to form contact primarily with the vertices of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes, which experience the greatest deformation due to external mechanical influences, as well as the need to exclude the possibility of touching the vertices of the upper an array of vertically oriented carbon nanotubes of the lower contact electrode.

На фиг. 1, 2 приведены общий вид и разрез пьезоэлектрического наногенератора на основе двух массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.In fig. 1, 2 show a general view and section of a piezoelectric nanogenerator based on two arrays of vertically oriented carbon nanotubes.

Пьезоэлектрический наногенератор (фиг. 1, 2) содержит нижнюю подложку 1, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, со сформированным сплошным нижним контактным электродом 2, на которых методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы в потоках прекурсоров углерода и азота выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки 3, выступающие в качестве пьезоэлементов, верхний контактный электрод на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 4, выращенных на верхней подложке 5 со сплошным проводящем слоем 6 методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в потоках прекурсоров углерода и водорода, диэлектрические упоры 7, обеспечивающие позиционирование верхнего контактного электрода 4 над вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубкок 3.The piezoelectric nanogenerator (Fig. 1, 2) contains a lower substrate 1 made of dielectric or semiconductor material with a formed solid lower contact electrode 2, on which vertically oriented carbon nanotubes are grown using plasma-chemical vapor deposition in flows of carbon and nitrogen precursors 3, acting as piezoelectric elements, an upper contact electrode based on an array of vertically oriented carbon nanotubes 4 grown on an upper substrate 5 with a continuous conductive layer 6 by plasma-chemical vapor deposition in flows of carbon and hydrogen precursors, dielectric stops 7 ensuring the positioning of the upper contact electrode 4 over the tops of vertically oriented carbon nanotubes 3.

Работает пьезоэлектрический наногенератор следующим образом.The piezoelectric nanogenerator works as follows.

В исходном состоянии вертикально ориентированные углеродные нанотрубки 3 находятся в недеформированном состоянии. При этом вершины ориентированных углеродных нанотрубок не должны быть жестко зафиксированы на верхнем контактном электроде на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 4, чтобы сохранить подвижность вершин нанотрубок при внешних механических воздействиях. При внешнем механическом воздействии, таких как ветер, вибрации или движения тела человека, вершины вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3 отклоняются от своей оси, деформируются и контактируют с верхним электродом на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 4, выращенных на верхней подложке 5 со сплошным проводящем слоем 6. Ввиду того, что вертикально ориентированные нанотрубки 3, выращенные на нижнем контактном электроде 2, расположенном на нижней подложке 1, обладают пьезоэлектрическим эффектом, то в результате внешних механических воздействий они деформируются, и возникает разность потенциалов между вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3, испытывающих упругие наноразмерные деформации, и заземленным верхним контактным электродом на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 4. При этом благодаря тому, что обеспечивается контакт к каждой вертикально ориентированной углеродной нанотрубке 3, эффективность сбора генерируемого потенциала стремится к 100%. При этом величина генерируемого потенциала определяется величиной пьезоэлектрического модуля вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3, величина которого зависит от концентрации дефектов замещения атомов углерода атомами азота со структурой пиррола. Величина пьезоэлектрического модуля вертикально ориентированных углеродных нанотрубок верхнего контактного электрода 4 должна быть близкой к нулю, что достигается путем их роста методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в потоках прекурсоров углерода и водорода. Предложенное устройство может быть использовано для генерации электрической энергии за счет преобразования внешних механических воздействий, таких как ветер, вибрации и движения тела человека, в том числе наноразмерных деформаций и вибраций.In the initial state, vertically oriented carbon nanotubes 3 are in an undeformed state. In this case, the tops of the oriented carbon nanotubes should not be rigidly fixed on the upper contact electrode based on an array of vertically oriented carbon nanotubes 4 in order to maintain the mobility of the tops of the nanotubes under external mechanical influences. Under external mechanical influence, such as wind, vibration or human body movements, the tops of vertically oriented carbon nanotubes 3 deviate from their axis, deform and contact the upper electrode based on an array of vertically oriented carbon nanotubes 4 grown on the upper substrate 5 with a continuous conductive layer 6. Due to the fact that vertically oriented nanotubes 3 grown on the lower contact electrode 2 located on the lower substrate 1 have a piezoelectric effect, as a result of external mechanical influences they are deformed, and a potential difference arises between the tops of vertically oriented carbon nanotubes 3 experiencing elastic nanoscale deformations, and a grounded upper contact electrode based on an array of vertically oriented carbon nanotubes 4. Moreover, due to the fact that contact is provided to each vertically oriented carbon nanotube 3, the efficiency of collecting the generated potential tends to 100%. In this case, the value of the generated potential is determined by the value of the piezoelectric modulus of vertically oriented carbon nanotubes 3, the value of which depends on the concentration of defects in the substitution of carbon atoms by nitrogen atoms with a pyrrole structure. The value of the piezoelectric modulus of vertically oriented carbon nanotubes of the upper contact electrode 4 should be close to zero, which is achieved by their growth by plasma-chemical vapor deposition in flows of carbon and hydrogen precursors. The proposed device can be used to generate electrical energy by converting external mechanical influences, such as wind, vibrations and movements of the human body, including nano-sized deformations and vibrations.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой пьезоэлектрический наногенератор на основе двух массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, один из которых выступает в качестве массива пьезоэлементов, позволяющий эффективно преобразовывать наноразмерные механические деформации и вибрации в электрическую энергию, второй – в качестве верхнего контактного электрода, позволяющий эффективно собирать генерируемый энергию, достаточную для создания на их основе автономных источников питания носимой и имплантируемой электроники.Thus, the proposed device is a piezoelectric nanogenerator based on two arrays of vertically oriented carbon nanotubes, one of which acts as an array of piezoelements, allowing efficient conversion of nanoscale mechanical deformations and vibrations into electrical energy, the second - as an upper contact electrode, allowing efficient collection generated energy sufficient to create on their basis autonomous power sources for wearable and implantable electronics.

По сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый пьезоэлектрический наногенератор позволяет повысить выходную мощность на единицу площади до десятков Вт/см2 за счет более эффективного сбора генерируемого потенциала путем увеличения площади контакта верхнего электрода с вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов. Compared with similar devices, the proposed piezoelectric nanogenerator makes it possible to increase the output power per unit area to tens of W/ cm2 due to more efficient collection of the generated potential by increasing the contact area of the top electrode with the tops of vertically oriented carbon nanotubes, acting as piezoelements.

Claims (1)

Пьезоэлектрический наногенератор на основе двух массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, состоящий из нижней подложки со сформированным на ней нижним контактным электродом, на котором выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, которые выступают в качестве пьезоэлементов, вершины нанотрубок жестко не зафиксированы на верхнем контактном электроде за счет наличия диэлектрических упоров, отличающийся тем, что в качестве верхнего контактного электрода используют массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, который выращен на верхней подложке со сплошным проводящем слоем, причем длина верхнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок составляет от 10% до 30% от длины нижнего массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выступающих в качестве пьезоэлементов.Piezoelectric nanogenerator based on two arrays of vertically oriented carbon nanotubes, consisting of a lower substrate with a lower contact electrode formed on it, on which vertically oriented carbon nanotubes are grown, which act as piezoelements; the tops of the nanotubes are not rigidly fixed on the upper contact electrode due to the presence of dielectric stops, characterized in that an array of vertically oriented carbon nanotubes is used as the upper contact electrode, which is grown on the upper substrate with a continuous conductive layer, and the length of the upper array of vertically oriented carbon nanotubes is from 10% to 30% of the length of the lower array of vertically oriented carbon nanotubes nanotubes acting as piezoelectric elements.
RU2023126152U 2023-10-12 PIEZOELECTRIC NANOGENERATOR BASED ON TWO ARRAYS OF VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES RU221988U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU221988U1 true RU221988U1 (en) 2023-12-05

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2382486C1 (en) * 2008-11-25 2010-02-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Inductive-capacitance energy element
RU2446551C1 (en) * 2010-10-18 2012-03-27 Олег Борисович Белоногов Piezoelectric generator
RU211606U1 (en) * 2022-02-16 2022-06-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" NANOGENERATOR BASED ON VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2382486C1 (en) * 2008-11-25 2010-02-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Inductive-capacitance energy element
RU2446551C1 (en) * 2010-10-18 2012-03-27 Олег Борисович Белоногов Piezoelectric generator
RU211606U1 (en) * 2022-02-16 2022-06-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" NANOGENERATOR BASED ON VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sultana et al. An effective electrical throughput from PANI supplement ZnS nanorods and PDMS-based flexible piezoelectric nanogenerator for power up portable electronic devices: an alternative of MWCNT filler
Liao et al. Flexible piezoelectric nanogenerators based on a fiber/ZnO nanowires/paper hybrid structure for energy harvesting
Yang et al. Converting biomechanical energy into electricity by a muscle-movement-driven nanogenerator
Feng et al. Piezopotential-driven simulated electrocatalytic nanosystem of ultrasmall MoC quantum dots encapsulated in ultrathin N-doped graphene vesicles for superhigh H2 production from pure water
Wang The new field of nanopiezotronics
Qian et al. Poly (dimethylsiloxane)/ZnO nanoflakes/three-dimensional graphene heterostructures for high-performance flexible energy harvesters with simultaneous piezoelectric and triboelectric generation
Wang Towards self‐powered nanosystems: from nanogenerators to nanopiezotronics
US6559550B2 (en) Nanoscale piezoelectric generation system using carbon nanotube
Gu et al. Flexible fiber nanogenerator with 209 V output voltage directly powers a light-emitting diode
Wang Piezoelectric nanogenerators—Harvesting ambient mechanical energy at the nanometer scale
Wang et al. Integrated nanogenerators in biofluid
US8623451B2 (en) Large-scale lateral nanowire arrays nanogenerators
JP5026436B2 (en) Coupled piezoelectric semiconductor nanogenerator
Chen et al. Anisotropic outputs of a nanogenerator from oblique-aligned ZnO nanowire arrays
Ni et al. Flexible nanogenerator based on single BaTiO3 nanowire
US20090115293A1 (en) Stacked Mechanical Nanogenerators
KR101529814B1 (en) Hybrid electric generating elements
Liu et al. Effect of TC (002) on the output current of a ZnO thin-film nanogenerator and a new piezoelectricity mechanism at the atomic level
Ku et al. Optimal geometrical design of inertial vibration DC piezoelectric nanogenerators based on obliquely aligned InN nanowire arrays
CN103199737A (en) Nanopiezoelectric generator and method of manufacturing the same
Sharov et al. InP/Si heterostructure for high-current hybrid triboelectric/photovoltaic generation
Leprince-Wang Piezoelectric ZnO Nanostructure for Energy Harvesting, Volume 1
CN103236494B (en) A kind of preparation method of carbon-based nano power supply
RU221988U1 (en) PIEZOELECTRIC NANOGENERATOR BASED ON TWO ARRAYS OF VERTICALLY ORIENTED CARBON NANOTUBES
Ahmad et al. Enhanced output voltage generation via ZnO nanowires (50 nm): Effect of diameter thinning on voltage enhancement