柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的性能優(yōu)化與應(yīng)用

劉盛意，李金玉，黃志宇

（大連東軟信息學(xué)院，遼寧大連 116000）

柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的性能優(yōu)化與應(yīng)用

劉盛意，李金玉，黃志宇

（大連東軟信息學(xué)院，遼寧大連 116000）

利用當(dāng)前技術(shù)可以完成柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的制備。具體工藝技術(shù)是利用氣相法或者低溫水溶液法在柔性PET襯底上生長一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，同時使用XRD、SEM等技術(shù)對晶體結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行表征和分析。目前，柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機在納米級電子元器件方面具有重要應(yīng)用?；诖耍攸c對柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的性能優(yōu)化和應(yīng)用進(jìn)行分析。

柔性；復(fù)合壓電納米發(fā)電機；氧化鋅；性能優(yōu)化；應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子元器件的集成度越來越高，這也促進(jìn)了新型微納電源系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)，新型微納電源系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展也必然會為微型電源的發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持。經(jīng)過研發(fā)技術(shù)的不斷深入，當(dāng)前已經(jīng)制備出多種多樣的氧化鋅納米發(fā)電機。但當(dāng)前氧化鋅納米發(fā)電機存在一定的問題，主要體現(xiàn)在輸出信號普遍較小，而且輸出功率較低，這兩個缺點導(dǎo)致氧化鋅納米發(fā)電機在應(yīng)用方面受到嚴(yán)重的限制[1]。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，影響氧化鋅壓電納米發(fā)電機輸出性能的主要因素體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，氧化鋅中自由載流子的濃度過大；第二，器件受到外界影響較大，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，有較多的氧化鋅納米棒不能被充分利用，導(dǎo)致發(fā)電效率較低。而這一現(xiàn)象與器件上接觸電極的材質(zhì)、表面特征以及氧化鋅納米陣列的取向性有著密切的關(guān)系。

1 壓電納米發(fā)電機

1.1 技術(shù)原理

當(dāng)接地的導(dǎo)電原子力探針與氧化鋅納米線接觸時，會在接觸面形成肖特基結(jié)。探針針尖與氧化鋅納米線的拉伸面接觸時，拉伸面的電勢為正，電子經(jīng)過電路從底電極流向探針，肖特基結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。由于無法流入納米線，電子將在界面處堆積。掃動探針的過程較慢，因此電子堆積的速度比較慢，初期產(chǎn)生的信號較小不能被檢測到。探針再與壓縮面接觸時，氧化鋅納米線壓縮面的電勢為負(fù)，肖特基處于正向偏置狀態(tài)，電子從氧化鋅納米線流向探針針尖，此時壓電電荷被中和，這個過程非?？欤軌虍a(chǎn)生檢測得到的壓電信號，從而完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換過程[2]。

1.2 材料設(shè)計

作為壓電納米發(fā)電機的功能核心，壓電材料本身的質(zhì)量情況會對納米發(fā)電機發(fā)電性能產(chǎn)生重要影響。壓電材料中，最重要的幾個影響因素體現(xiàn)在以下幾個方面：結(jié)晶質(zhì)量、尺寸、形貌以及介電性質(zhì)等。通過對比發(fā)現(xiàn)，氣相法生長的氧化鋅在性能上優(yōu)于水熱法。通過研究發(fā)現(xiàn)，使用氣相法生長的氧化鋅的電子態(tài)密度更低；在結(jié)晶質(zhì)量方面缺陷更少；由于氣相法是在高溫環(huán)境下生長制備氧化鋅納米線，表面特征較好，可以有效抑制壓電電勢的屏蔽作用。

材料尺寸也是影響壓電材料性能的重要方面。材料的力學(xué)性能會隨著材料尺寸的下降發(fā)生顯著變化。通過研究發(fā)現(xiàn)，成彎曲狀態(tài)的PZT納米帶介電性能能夠得到明顯提高。通過分析發(fā)現(xiàn)造成這一結(jié)果的原因可能是鐵礦晶體中的電疇在應(yīng)力梯度的影響下發(fā)生了重新排列；還有可能是柔性電子學(xué)對壓電性能起到一定的增強作用。

通過對以上兩個方面的考慮，提高發(fā)電機的性能主要應(yīng)該對載流子屏蔽作用進(jìn)行抑制。具體的屏蔽方式有兩個方面：第一，在壓電半導(dǎo)體與金屬之間形成足夠大的勢壘，從而阻斷載流子通過；第二，降低壓電半導(dǎo)體中的載流子濃度。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

最初的壓電材料性能檢測是在顯微鏡下觀察到的，盡管能夠觀察到將機械能轉(zhuǎn)換成電能的過程，但并不能形成獨立的微納器件。為進(jìn)一步改善當(dāng)前柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的性能優(yōu)化與應(yīng)用，需要對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。通過研究發(fā)現(xiàn)，使用銀齒狀電極，可以利用超聲波引起納米線列震動，通過與電極接觸，實現(xiàn)了直流發(fā)電的效果。

為了提高集成度，為今后微電子技術(shù)的發(fā)展取得基礎(chǔ)，開始在納米發(fā)電機中采用橫臥的納米線結(jié)構(gòu)。具體需要將微納線固定在柔性基底上，并利用柔性基底的彎曲特性使微納線發(fā)生拉伸或者壓縮。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率對發(fā)電機的輸出特性有重要影響，應(yīng)變速率越快，產(chǎn)生的輸出電壓和電流越大。

為提高輸出電壓，需要將單根壓電微納線轉(zhuǎn)換成多根橫臥的微納線并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使輸出電壓成倍增加。具體方式需要在柔性基底上制備平行電極陣列，通過控制生長條件在電極一端沿平行于基底方向生長，大大提高了輸出電壓。陣列結(jié)構(gòu)本身就是壓電納米發(fā)電機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，并且這種結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

2 ZnO納米發(fā)電機

2.1 ZnO納米棒的制備

柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的制備需要選擇低溫水熱柔性PET-ITO作為襯底，在制備之前需要對襯底進(jìn)行一定的處理，具體步驟應(yīng)該按照甲苯、丙酮、乙醇溶液、去離子的步驟一次對襯底進(jìn)行清洗。接下來利用磁控濺射法在襯底上堆積一層氧化鋅籽晶層。并將準(zhǔn)備好的乙酸鋅溶液和六亞甲基四胺的混合溶液作用于籽晶層，生長出氧化鋅納米棒陣列結(jié)構(gòu)。通過對生長過程的觀察，生長結(jié)束后，使用去離子水反復(fù)沖洗，并進(jìn)行烘干處理，以備用。

2.2 ZnO納米發(fā)電機的制備

通常情況下納米發(fā)電機的制備方式有兩種：①首先需要使用真空鍍膜機在一塊柔性襯底上蒸鍍一層金膜，并將其作為電極，倒置于氧化鋅納米陣列的正上方，上部電極與納米棒的頂端接觸，形成一個三層結(jié)構(gòu)，并使用環(huán)氧樹脂材料完成封裝[3]。②同樣適用鍍膜機在另一塊柔性襯底上蒸鍍一層金膜，將鍍有金膜的納米陣列作為上電極，同樣倒置于氧化鋅納米陣列上方，并使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。這樣就會形成兩種不同的納米壓電發(fā)電器件。兩種器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 發(fā)電機的性能與表征

對于氧化鋅納米棒的形貌表征需要利用高分辨場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行表征與分析，同時對材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并做好有關(guān)的性能測試工作。圖2中展示的分別是氧化鋅納米陣列的頂視圖和俯視圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，氧化鋅納米棒比較均勻細(xì)致的分布在柔性襯底面上，并且呈現(xiàn)出較好的取向性。

3 柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的應(yīng)用

當(dāng)前，柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機在微納電子行業(yè)中已經(jīng)體現(xiàn)出一定地應(yīng)用性。但最重要的應(yīng)用是在動感傳感方面的應(yīng)用，通過實驗分析，將發(fā)電機緊密貼于書頁上，在書頁進(jìn)行正向翻動時，會產(chǎn)生一個正的電流峰值和負(fù)的電流峰值。因此在整個翻閱書頁的過程中就產(chǎn)生了一定的電流信號。這種應(yīng)用可以用于小型元器件和設(shè)備的機械能向電能的轉(zhuǎn)化過程。電機的翻閱過程產(chǎn)生一定的信號，無需外界電源給出信號。

圖2 納米陣列頂視圖和俯視圖

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對壓電納米發(fā)電機的介紹，重點分析了其工作原理以及材料方面和結(jié)構(gòu)方面的性能優(yōu)化措施，對于改善柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的當(dāng)前技術(shù)具有一定的積極作用。就應(yīng)用而言，隨著驅(qū)動信號的加強，柔性納米發(fā)電機將會在可穿戴納米器件、生物傳感器和自供能納米器件領(lǐng)域發(fā)揮重要優(yōu)勢。

[1] 郭彤，王強.可穿戴摩擦納米發(fā)電機的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].科技展望，2017，（13）.

[2] 陳志敏，榮訓(xùn)，曹廣忠.納米發(fā)電機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].微納電子技術(shù)，2016，（1）.

[3] Mary.納米能源所旋轉(zhuǎn)式直流摩擦納米發(fā)電機研制成功[J].今日電子，2014，（4）.

Performance Optimization and Application of Flexible Composite Piezoelectric Nano-generator

Liu Sheng-yi，Li Jin-yu，Huang Zhi-yu

The preparation of flexible composite piezoelectric nano-generators can be accomplished by using the current technology.The specific technology is to use one-dimensional ZnO nanostructures on a flexible PET substrate by gas phase or low temperature aqueous solution.The surface of the crystal structure is characterized and analyzed by XRD and SEM techniques.At present，flexible composite piezoelectric nano-generators in nano-electronic components has important applications.Based on this，this paper focuses on the performance analysis and application of flexible composite piezoelectric nano-generators.

flexibility;composite piezoelectric nano-generator; zinc oxide; performance optimization; application

TM31

A

1003-6490（2017）12-0070-02

2017-10-08

吳鵬（1988—），男，重慶人，工程師，主要從事煤層氣田開發(fā)相關(guān)工作。

收稿日期：2017-10-16

作者簡介：張文峰（1969—），男，河南濮陽人，工程師，主要從事采油管理的工作。

收稿日期：2017-08-27

作者簡介：劉盛意（1996—），男，河北唐山人，本科在讀，主要研究方向為微電子科學(xué)與工程。