纳米发电机
摘要：随着纳米科技的不断发展，纳米材料的制备工艺越来越丰富，在纳米尺度上对材料形貌的控制已经成为可能。从而基于这些纳米材料的纳米电子器件也不断被发明和创造。本文主要介绍了王中林课题组利用氧化锌纳米线阵列，制备纳米发电机的过程和原理，并介绍其潜在应用价值。
关键词：纳米科技；氧化锌纳米线；纳米发电机
一引言
1959年物理学家理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。即我们现在所说的纳米科技。
纳米科学技术是集固体物理、原子、分子物理学和化学的交叉学科，是以包含可数原子的单元或结构为研究对象，研究其中物质的性质、作用和变化规律，并利用这种单元尺寸（纳米尺度）的变化以及控制它们之间的结合方式，从而合成或组成具有独特性质的纳米结构材料或器件[1]。
纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组装生长及分子合成技术等[2]，设计制备而成的具有纳米级（1-100nm）尺度和特定功能的电子器件。目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件、单电子晶体管、单电子存储器、单电子逻辑电路、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等[3]。
然而，纳米技术发展到目前，大量的研究都集中于开发高灵敏度，高性能的纳米器件，关于纳米尺度的电源系统研究还很少见，但是应用于生物及国防等方面的纳米传感器对这种电源系统的需求却与日俱增。例如，无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控，生物活体探测等，都具有重大的意义。任何生物体内置的无线传感器都需要电源，一般来说，这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。然而，如果这些传感器能从生物体内自己给自己提供电源，从而实现器件和电源的同时小型化，这是人们一直所梦寐以求的事情。因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能从而实现无需外接电源的纳米器件的新型纳米技术具有极其重要的意义。这一技术在大大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率，在集成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响[4]。
二纳米发电机简介及其原理
2006年，美国Science 周刊报道了王中林课题组利用竖直结构的氧化锌纳
米线的独特性质，成功地在纳米尺度下将机械能转化成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机[5]。这一重大发现开启了纳米科学和技术的新篇章。这种纳米发电机是在具有竖直结构的氧化锌纳米线的基础上研制而成的。他们通过用导电的原子力显微镜探针将竖直的氧化锌纳米线弯曲，输入机械能。同时，氧化锌纳米线的压电效应使电荷产生极化，将机械能转化成为电能，图一为该压电式纳米发电机示意图。由于氧化锌的半导体特性，用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内，然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，并向外界输电，从而实现了纳米尺度的发电功能。
图一纳米发电机示意图
选着氧化锌纳米材料的原因主要有三个：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础；其次，ZnO的生物安全性和生物相容性相对要高，能够应用在医学方面；最后，在目前已知的纳米结构中，ZnO的种类最多，如纳米线、纳米带、纳米条、纳米环、纳米螺旋结构等。
ZnO纳米线之所以能完成机械能到电能的高效转变，与其同时具有半导体以及压电特性有密切相关。常规的压电材料，例如PZT等，通常为绝缘体。尽管将它们在弯曲或压缩情况下也能产生电势变化，但由于它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒，因而无法实现电荷积累到释放这一转变过程。因此，虽然目前有部分研究利用常规压电材料作电源，但都需要一个复杂的外接电路来实现电荷的积累，很难达到器件真正的微型化。
更重要的是，常规压电材料由于化学成分及晶体结构较复杂，很难合成出高质量的具有纳米尺度的结构。因此，高的输出功率只能通过增加尺寸和外界作用力来实现，而无法实现小尺寸与大功率的有机结合。相反，氧化锌作为一种新型半导体压电材料，具有比较简单的化学成分，并能较好地控制其纯度、尺寸、形貌以及晶体结构。这为大功率的纳米发电机的开发提供了重要的物质基础。纳米
线的直径很小，一般不到100nm，但其长度却可以达到几个微米。极大的纵横比使得在很小的作用力下，便能将氧化锌纳米线弯曲，从而产生电势差。因此，只要能实现大量竖直纳米线在较小作用力下连续进行弯曲—伸直这一过程，具有较大输出功率的纳米发电机就有可能得以实现。
他们在实验中所使用的ZnO纳米线阵列是在蓝宝石衬底上，以金为催化剂，通过气-液-固（VLS）机制生长，纳米线沿[0001]方向生长。实验中，用镀金属铂( Pt)的硅针尖通过AFM进行测量，针尖的锥形角是70°。针尖沿ZnO纳米线的顶端扫描，针尖的高度通过纳米线的表面形貌和接触的作用力来调整，室温下纳米线的热振动可以被忽略。为了使纳米线底部导电，用银胶镀层将基底表面的ZnO薄膜与测量电路相连接。当针尖扫过纳米线时，通过一个外部负载RL = 500MΩ的电阻，可以检测到连续的输出电压信号。示意图如图二所示。
图二纳米发电机发电原理示意图[5]
图中，( a) 为蓝宝石衬底上的ZnO纳米线阵列的SEM图像；(b)ZnO纳米线的TEM图像，表示没有金颗粒存在的纳米线和顶端有一个很小的金颗粒存在纳米线的典型结构。(c) 通过一个导电AFM针尖使一根压电纳米线弯曲产生电流的实验装置以及实验过程。纳米线的底部接地，外加一个负载RL，RL 的电阻值比纳米线的电阻R I 大得多，AFM以接触模式沿纳米线阵列扫描。
产生压电放电能量的物理原理来自ZnO的压电性质和半导体属性的耦合。一根垂直的直立ZnO纳米线被AFM针尖挤压产生一个应变场，外表面被拉伸(正的应力ε)，内表面被压缩(负应力ε)，在纳米线两侧就形成了电势差，由于纳米线底部是金属银和半导体氧化锌的连接，形成了欧母接触，而针尖上白金和半导体氧化锌的接触形成了肖特基势垒。正是由于这一设置，加上单晶氧化锌纳米线独特的压电性能，使得被弯曲拉长的氧化锌纳米线一面所产生的正偏压电能不能
释放，实现了电荷的分离和电荷积累。当原子力显微镜的探针继续扫过纳米线顶部到纳米线被压缩部分时，由于压缩部分的氧化锌纳米线一面是负电压，积累的压电电荷得到释放，为外电路输出电流。
三纳米发电机的意义及应用前景
纳米发电机在纳米科技发展过程中具有重要的意义：
第一，它首次实现了半导体和压电体双重性能的耦合，为探索该过程中的物理机制奠定了基础；
第二，它的出现为从纳米器件飞跃到纳米系统提出了具体的技术路线。纳米器件的研究与开发是当今纳米技术最前沿的领域。纳米器件具有尺寸微小(纳米量级) 、功耗小、灵敏度高等宏观器件所不完全具备的独特优势。然而，目前为这些先进的纳米器件供电的依然是常规的宏观电源，这就阻碍了器件的小型化。纳米发电机的发明提出了解决纳米技术中这一极其要害问题的方案，它使得纳米器件的能量供给系统与工作系统同时都能达到纳米量级，从而保持了自备电源的完整、纳米器件系统的微小、可体内植入等特性；
第三，纳米发电机不仅为实现整个纳米器件工作系统的真正小型化奠定了原理基础，同时还能有效地收集生物体内甚至自然界中一直被忽略的微量运动机械能来满足纳米器件正常运转所需的能量。该能量回收过程将有重大的应用前景；
第四，氧化锌具有独特的生物可降解性和生物相容性，它可以被用于人体内的传感和微系统，这是氧化锌所具有的非常独特的性能。
纳米发电机在生物医学领域同样具有重要的应用价值。生物体的各种运动能产生或多或少的能量，以人为例，人体内血压的变化、血液的流动、肌肉的伸缩、等均能带动纳米发电机上细小的纳米线来回弯曲，从而产生电能。而这些电能则可以直接供给植入人体的其他器件，如心脏起勃器或是其他原位探测传感器等使用。由于能量的来源是人体本身的运动，这种电源无需更换，从而可以大大减低患者的痛苦并降低医疗成本。
四总结
纳米发电机是一种新型的自供能量的纳米技术，它运用独特的方式，可以从人体内或外界环境中收集能量，提供给纳米器件和系统。纳米发电机为实现自供能、无线纳米器件和纳米机器人奠定了理论与实际操作的基础。然而，要实现纳米发电机的实际应用仍有一段很长的路程要走。还有很多问题亟待解决，如纳米线的疲劳和寿命问题，纳米发电机如何有效地把流体能和声波能转换为电能，纳米发电机的封装问题以及它和生物体的相互作用等等。我们期待早日解决这些问题，不断完善纳米发电机制备技术，使之在我们日常生活、生物医学、国防军事中得到广泛应用。
参考文献：
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龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/f71197852.html, 摩擦纳米发电机在智能家居中的应用 作者：唐颖捷程娇妍 来源：《河南科技》2018年第13期 摘要：近年来，智能家居行业发展极为迅速，越来越多的智能电子设备进入人们的家 庭。智能家居的发展离不开各类传感器的互联互通，而摩擦纳米发电机作为一种新型的能源转化装置，能有效地将生活中的机械能转化为电能，为个人电子产品、环境监控、医疗器械等提供自供电和自驱动设备。本文通过介绍摩擦纳米发电机的工作模式与特点，总结了摩擦纳米发电机在智能家居中的应用以及发展前景。 关键词：智能家居；摩擦纳米发电机；自驱动 中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）13-0054-03 Application of Friction Nanoscale Generator in Smart Home TANG Yingjie1 CHENG Jiaoyan2 （1.College of Physical Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou Henan 450001；2.College of Nursing， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001） Abstract： In recent years， the smart home industry has developed rapidly， and more and more intelligent electronic devices have entered people's homes. The development of smart home can not be separated from the interconnection of various kinds of sensors. As a new type of energy conversion device， friction nanoscale can effectively transform the mechanical energy into electric energy in life， and provide self power supply and self driving equipment for personal electronic products， environmental monitoring， medical equipment and so on. By introducing the working mode and characteristics of friction nanometers， this paper summarized the application and development prospects of friction nano generators in smart home. Keywords： smart home；friction nano generator；self driving 随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展，人类生活进入了以数字化和网络化为平台的智能化社会。在物联网快速发展的今天，作为物联网一个重要应用的智能家居，正改变着人们的生活方式[1]。智能家居通过家庭网络将家用电器与设备连接在一起，给用户带来更 高效、便利和舒适的体验。传统的物联网技术中的关键问题在于传感器的能源供应问题，需要经常更换电池以及检测电池是否正常。在此背景下，需要寻求一个更方便可行的方案，给传感器提供能量来源[2，3]。摩擦纳米发电机的出现，很好地解决了这一问题，其可以将传感器周围环境中的机械能有效的转化为电能，为传感器提供能量[4]。摩擦纳米发电机的这一特点，
论柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究 摘要：随着电子技术的不断发展，微电子元器件的集成度越来越高，这也促进 了新型微纳电源系统技术的开发，新型微纳电源系统技术的发展也必然会为微型 电源的发展提供强有力的技术支持。经过研发技术的不断深入，当前已经制备出 多种多样的氧化锌纳米发电机。但当前氧化锌纳米发电机存在一定的问题，主要 体现在输出信号普遍较小，而且输出功率较低，这两个缺点导致氧化锌纳米发电 机在应用方面受到严重的限制。基于此，本文就针对柔性复合压电纳米发电机的 性能优化与应用进行研究分析。 关键词：柔性复合；压电纳米；发电机；性能优化；应用研究 1压电纳米发电机的电流输出特性及表征原理分析 第一，利用有限元多物理场模拟软件COMSOL对复合压电纳米发电机性能进 行模拟。研巧基体和压电相的杨氏模量、泊松比等力学参数对复合压电纳米发电 机性能的影响规律。研巧压电电荷密度、基体介电常数、压电相介电常数等电学 参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。研究压电相在横向和垂直方向的分 布密度、结构单元串并联数目等结构参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。基于上规律，总结复合压电纳米发电机的优化途径。 第二，从增大压电相压电系数的角度，构建基于饥惨杂ZnO的压电纳米发电机。利用细菌纤维素天然的网络结构和高度亲水性，采用浸泡－反应两步法在细 菌纤维素内部原位合成饥渗杂ZnO，研究反应参数对饥惨杂ZnO／细菌纤维素复 合结构的影响。构建机慘杂ZnO／细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机，并探索 柔性发电机在自驱动传感器方面的应用。 第三，从优化复合压电结构的角度，构建基于BaTio3纳米颗粒的柔性压电纳 米发电机。设计插指电极结构发电机，探索指间距、复合压电层BaTio3含量、压电展厚度对器件性能的影响规律，研究插指电极结构对发电机性能优化的原理。 构建BaTio3纳米願粒／细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机，通过改善BaTio3 纳米颗粒的分布密度优化器件性能。探索两种器件在自驱动传感、机械能采集方 面的应用。 第四，研巧压电纳米发电机最大峰值电流的表征方法及影响因素。从压电本 构方程出发，推导描述压电纳米发电机最大峰值电流的理论公式，并设计实验方 法对最大峰值电流进行测量。系统研究纳米发电机的电容、测试过程所施加力等 因素对发电机最大峰值电流的影响规律。进一步丰富压电纳米发电机测量理论， 为解决实际应用中的阻抗匹配、机电转换效率优化等问题提供理论支持。 2柔性复合压电纳米发电机的性能优化分析 2.1压电纳米发电机结构设计 最初的压电材料性能检测是在显微镜下观察到的，尽管能够观察到将机械能 转换成电能的过程，但并不能形成独立的微纳器件。为进一步改善当前柔性复合 压电纳米发电机的性能优化与应用，需要对其结构设计进行优化。通过研究发现，使用银齿状电极，可以利用超声波引起纳米线列震动，通过与电极接触，实现了 直流发电的效果。为了提高集成度，为今后微电子技术的发展取得基础，开始在 纳米发电机中采用横卧的纳米线结构。具体需要将微纳线固定在柔性基底上，并 利用柔性基底的弯曲特性使微纳线发生拉伸或者压缩。研究发现，应变速率对发 电机的输出特性有重要影响，应变速率越快，产生的输出电压和电流越大。为提 高输出电压，需要将单根压电微纳线转换成多根横卧的微纳线并联结构，使输出
纳米发电机原理 目前摩擦纳米发电机主要是以高分子聚合物为摩擦材料，并在聚合物的背面制备感应电极，通过摩擦起电现象使两种材料分别带上等量的异种电荷，再通过静电感应原理使聚合物背面的感应电极产生感应电荷，在电势的驱动下，使感应电极上的电荷输出至外电路，将机械能转化为电能。 制备纯柔性单电极摩擦电纳米发电机 3.1 整体制备流程 纯柔性单电极摩擦电纳米发电机是由PDMS 和银纳米线构成。在PDMS 的一侧 具有微纳结构，这些微纳结构能够大大增加摩擦电纳米发电机的能量转化效率。 在PDMS 的另一侧是由镶嵌在其中的银纳米线构成的感应电极。纯柔性单电极摩 擦电纳米发电机制备过程如图3.1 所示。 第一步，将PDMS 高弹体和交联剂混合（质量比为10:1），充分搅拌，直至 均匀混合。将其放入离心机中，用5000 转每分钟的转速离心10 分钟，彻底去除 气泡，制得PDMS 前聚体，留存备用。依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗载玻片， 制备出干净的玻璃衬底，留存备用。 第二步，将液态的PDMS 前聚体旋涂在干净的玻璃衬底上，旋涂速度为300 转每分钟，旋涂时间为45 秒。将样品放在温度为90°的烘箱内20 分钟，至PDMS 前聚体完全固化后，将其从玻璃衬底上剥离。接下来，用聚焦的飞秒激光在PDMS 的上表面烧纸加工，制备出微纳结构。此时，PDMS 的一侧是光滑的平面，另一
侧是具有微纳结构的表面。这是制备纯柔性单电极摩擦电纳米发电机的第一部分 样品。 图3.1 纯柔性单电极摩擦电纳米发发电机整理制备流程图 第三步，将5mg/ml 的银纳米线溶液（溶剂为乙醇）滴涂在干净的玻璃衬底 上，在空气中放置于温度为150°的热台上30 分钟，直至完全蒸干形成一层均 匀导电的银纳米线薄膜。这层银纳米线薄膜是由相互交叠的银纳米线构成。再将液态的PDMS 前聚体旋涂在该层薄膜上（旋涂速度为300 转每分钟，旋涂时间为 45 秒）。将在第二步中制备的第一部分样品垂直平铺覆盖在液态PDMS 前聚体上， 放入90°烘箱中固化20 分钟。 最后，将最终得到的样品从玻璃衬底上剥离，即可得到纯柔性单电极摩擦电 纳米发电机。
42机械装备 Mechanized Equipment2017年3月下 摩擦纳米发电机的结构与原理分析 贾沛宇 （河南大学物理与电子学院，河南 开封 475000） 摘要：文章分析摩擦纳米发电机的基本工作原理；阐明摩擦纳米发电机与传统发电机相比的显著优势；概括总结了目前摩擦纳米发电机的几种基本结构；结合世界能源发展现状和当今智能化、微型化的时代潮流指出了摩擦纳米发电机广阔的应用和发展前景。关键词：摩擦纳米发电机；原理；基本结构 中图分类号：TB857+.3 文献标志码：A文章编号：1672-3872（2017）06-0042-01 目前，世界主要消耗能源为石油、煤炭等不可再生资源。面对人们日益增长的能源需求和世界能源储备有限的矛盾，清洁能源的开发和利用成为时代的共识。清洁能源包括风能、水能、潮汐能等无污染、可持续利用的能源。清洁可再生资源的有效利用成为关乎世界和平与经济发展的重要问题。 1 基本结构 2012年美国佐治亚理工学院的王中林教授团队首提摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机是基于静电感应和摩擦起电的耦合作用而成的发电机，可以广泛利用各种能量，将机械能转化为电能。顾名思义，摩擦纳米发电机有两个基本特点：①摩擦发电产生的电流较小，只能用于微小器件的供电，如点亮LED灯等；②为了增大摩擦，提高发电效率，需要在材料选择及设计上增加纳米结构。摩擦纳米发电机主要由两部分组成，依靠两种电负性相差很大的材料摩擦从而产生电能的摩擦部分；将交流电整流成直流电或者储存电能的电流部分。 摩擦部分由电负性相差很大的两层高分子薄膜组成。得失电子差异性大更有利于电荷的产生，从而提高输出电能的效率。两层高分子薄膜附着在两个金属电极上实现发电。选取的负电材料有PET、PTFE、CAPTON等；选取的正电材料有金属，尼龙等。在选取材料时，两种材料相对电负性相差较大即可。除此之外，还需适合结构设计、起支撑作用的亚克力板来作为支撑，使摩擦部分更加稳定，从而平稳输出电能。电流部分主要是将摩擦部分输送的交流电转化为可以被利用的直流电。常见的简单设计是整流电路。而最典型的整流电路是桥式整流电路，利用二极管的单向性将电流变为一个方向。针对摩擦纳米发电机发出电流小的特点，必须选择阻抗较小的电子元件，与摩擦部分相匹配，否则将导致输出电能太小而无法利用。 2 工作原理 摩擦纳米发电机工作的基本原理是：电极接触时，电负性相差很大的两层薄膜摩擦，分开时分别携带相反的电荷，形成电势差；这两个材料的背电极通过负载连接，电势差将使得电子在两个电极之间流动，以平衡薄膜间的静电电势差。一旦两个接触面再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离，摩擦发电机的输出端将输出交变的电流脉冲信号，从而对外输出电能。 3 分类 目前出现了各种结构的摩擦纳米发电机，但从基本结构上分析，为以下四种基本结构的组合或创新。 1）接触式TENG。基础结构为“三明治”型，即两个分离的金属电极，在其中一个电极上镀易于得电子的负电材料，通过两个电极的接触分离实现发电。 2）滑动式TENG。几块分立的金属电极作为基底，在其上镀负电材料，作为TENG的一方电极，置于基底的电极不要连通；另一方电极在其上从左到右摩擦产生电势差实现发电。 3）单电极TENG。设计上只有一个电极的TENG。一般用于可穿戴的TENG。如以皮肤作为导体实现发电。 4）隔空式TENG。两个分离的金属电极作为正负极置于基底，有机高分子材料在其上摩擦，两个基底电极产生电势差，实现发电。 4 与传统发电机相比的优势 发电机最早产生于第二次工业革命期间，在1866年由德国工程师西门子制成。当今社会发电机虽然有各种各样的类型，但都是根据法拉第电磁感应现象的基本原理制成的。目前主流发电机结构比较复杂而且笨重，成本比较高，对工作环境要求比较苛刻，无法在潮湿等极端恶劣的环境中工作。最重要的是其动力源主要来自汽轮机、柴油机或燃料燃烧，面对日益减少的不可再生资源和愈演愈烈的环境问题，其缺点明显。 与之相比，摩擦纳米发电机有着不可比拟的优点：①收集能量种类广泛，清洁无污染。如人体机械能、风能、水能等，只要引起摩擦的能量，就能被收集；②制备工艺简单，制备价格低廉，利于大规模生产。所用材料都是一些价格低廉的工业原料，生产成本低廉；③容易实现智能化。由于摩擦纳米发电机依赖于摩擦起电和静电感应的耦合作用，容易控制其电能的产生，可以灵活应用在传感器等方向上。 5 应用和前景 1）摩擦纳米发电机可以收集例如风能、水能、人体机械能等可再生资源，并且产物无污染，绿色环保，在节能减排方面将有大的发展和作为。 2）摩擦纳米发电机可用在驱动微型传感器和个人便携式电子产品，给日常出行等带来便利。 3）摩擦纳米发电机可作为自供能传感器来探测位移、速度、金属离子、湿度、温度等物理参数。作为一种自供传感单元，摩擦发电机可用于探测皮肤接触和应力分布，在智能接触屏和人机界面的应用中具有不可估量的应用价值和发展潜力。 参考文献： [1]程小备.新型摩擦纳米发电机[J].能源与节能.2016(4):43-45. [2]张虎林.摩擦纳米发电机TENG的机构设计及其相关应用研究[D]. 重庆大学,2014. [3]郭隐犇,张青红,李耀刚,等.可穿戴摩擦纳米发电机的研究进 展[J].中国材料进展,2016(2):92-100 [4]冷强.基于热释电、摩擦电效应的纳米发电机及其应用的研究[D]. 重庆大学,2015. （收稿日期：2017-3-16） —————————————— 作者简介： 贾沛宇（1995-），女，河北张家口人，研究方向：物理学。
Flexible High-Output Nanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire Array Guang Zhu,?Rusen Yang,?Sihong Wang,and Zhong Lin Wang* School of Materials Science and Engineering,Georgia Institute of Technology,Atlanta,Georgia 30332-0245 ABSTRACT We report here a simple and effective approach,named scalable sweeping-printing-method,for fabricating ?exible high-output nanogenerator (HONG)that can effectively harvesting mechanical energy for driving a small commercial electronic component.The technique consists of two main steps.In the ?rst step,the vertically aligned ZnO nanowires (NWs)are transferred to a receiving substrate to form horizontally aligned arrays.Then,parallel stripe type of electrodes are deposited to connect all of the NWs https://www.doczj.com/doc/f71197852.html,ing a single layer of HONG structure,an open-circuit voltage of up to 2.03V and a peak output power density of ～11mW/cm 3have been achieved.The generated electric energy was effectively stored by utilizing capacitors,and it was successfully used to light up a commercial light-emitting diode (LED),which is a landmark progress toward building self-powered devices by harvesting energy from the environment.This research opens up the path for practical applications of nanowire-based piezoelectric nanogeneragtors for self-powered nanosystems. KEYWORDS Nanogenerator,ZnO,nanowire,light-emitting diode,self-powering E nergy harvesting is critical to achieve independent and sustainable operations of nanodevices,aiming at building self-powered nanosystems.1-3Taking the forms of irregular air ?ow/vibration,ultrasonic waves,body movement,and hydraulic pressure,mechanical energy is ubiquitously available in our living environment.It covers a wide range of magnitude and frequency from cell contrac-tion to ocean waves.The mechanical-electric energy conver-sion has been demonstrated using piezoelectric cantilever working at its resonating mode.4-7However,the applicabil-ity and adaptability of the traditional cantilever based energy harvester is greatly impeded by the large unit size,large triggering force and speci?c high resonance frequency.Recently,a series of rationally designed nanogenerators (NGs)with piezoelectric nanowires (NWs)have shown great potentialtoscavengetinyandirregularmechanicalenergy.8-15However,insuf?cient electric output hinders their practical applications.We report here a simple and effective ap-proach,named scalable sweeping-printing-method,for fab-ricating ?exible high-output nanogenerator (HONG).An open-circuit voltage of up to 2.03V and a peak output power density of ～11mW/cm 3have been achieved.The generated electric energy was effectively stored by utilizing capacitors,and it was successfully used to light up a commercial light-emitting diode (LED),which is a landmark progress toward building self-powered devices by harvesting energy from the environment.Furthermore,by optimizing the density of the NWs on the substrate and with the use of multilayer integra-tion,a peak output power density of ～0.44mW/cm 2and volume density of 1.1W/cm 3are predicted. The mechanism of converting mechanical energy by a single ZnO NW that is laterally bonded to a substrate has been discussed in details in our previous report.13Owing to much smaller diameter of the NW compared to the substrate thickness,outward bending of the substrate induces a uniaxial tensile strain in the NW.Because of the piezoelectric property of the ZnO NW,the stress results in a piezoelectric ?eld along the length,which causes a transient charge ?ow in the external circuit.The Schottky contact at the bonded ends can regulate the charge ?ow.As a result,the bending and releasing of the single-wire-NG gives rise to an alternat-ing ?ow of the charges in the external circuit.In this work,the power output has been scaled up with the integration of hundreds of thousands of horizontally aligned NWs,which was made by a scalable sweeping-printing-method that is simple,cost-effective,and highly ef?cient. The method consists of two main steps.In the ?rst step,the vertically aligned NWs are transferred to a receiving substrate to form horizontally aligned arrays.The major components of the transfer setup are two stages (Figure 1a).Stage 1has a ?at surface that faces downward and holds the vertically aligned NWs;stage 2has a curved surface and holds the receiving substrate.Polydimethylsiloxane (PDMS)?lm on the surface of stage 2is used as a cushion layer to support the receiving substrate and enhances the alignment of the transferred NWs.The radius of the curved surface of stage 2equals the length of the rod supporting the stage,which is free to move in circular motion (Supporting Infor-mation Figure S1).In the second step,electrodes are depos-ited to connect all of the NWs together. Vertically aligned ZnO NWs on Si substrates were syn-thesized using physical vapor deposition method.16,17The dense and uniform NWs have the length of ～50μm,diameter of ～200nm,and growth direction along the c -axis *To whom correspondence should be addressed.E-mail:zlwang@https://www.doczj.com/doc/f71197852.html,.? Authors with equal contribution Received for review:6/3/2010Published on Web: 07/21/2010
基于摩擦纳米发电机的自驱动微系统 (function() { var s = "_" + Math.random().toString(36).slice(2); document.write(''); (window.slotbydup = window.slotbydup || []).push({ id: "u3686515", container: s }); })();
摘要：针对物联网的多样性和应用环境复杂性，提出基于摩擦纳米发电机（TENG）的自驱动微系统解决方案。首先分析搭建自驱动微系统需要的3个基础模块：基于人体运动的摩擦纳米发电机的能量采集（EH）模块、主动式传感模块、高效率的能量存储模块，在此基础上搭建适用于不同应用场景的自驱动微系统，既可以有效地解决海量传感器节点的长期稳定能量供给问题，又有利于物联网技术向着多维度和多形态的方向发展。 关键词：微能源系统；EH；TENG；自驱动；主
动式传感；能量管理 随着科学技术的飞速发展，电子设备呈现出小型化、低功耗和多功能的趋势，万物互联的物联网（IoT）时代已经拉开序幕。物联网的搭建依赖于无数的分布式传感器，用于生命健康监测、环境污染防控、基础设施安全等诸多领域。尽管单个传感器能耗有限，但是整个物联网包含着上亿个传感器，这就对能源供给问题提出了挑战。电池是最为常见的储能元件，但是在面对数量庞大的分布式传感器系统时，电池因其有限的?勖?，需要循环充电以及自身体积过大等问题，无法解决物联网中海量传感器节点的能量供给问题。因此，开发出一种可以随时随地从周围环境中收集能量用于驱动微纳米传感器的自驱动微系统成为当务之急。 在周围环境中，相比于光能、热能等，机械能来
新型功能摩擦纳米发电机的构建与应用 能源短缺和环境污染成为当今世界面临的两大难题,以高新技术发展可再生清洁能源,逐步成为重要的解决策略。摩擦纳米发电机的发明推动了环境机械能有效收集,是可再生能源领域的前沿研究课题,并在自驱动应用领域开展了广泛研究。在信息时代,自驱动传感器的研发促进物联网朝着微型化、节能化、智能化方向发展。自驱动系统是摩擦纳米发电机另一个主要应用方向,且如何采取节能减排的清洁手段来治理环境污染尚待研究。本论文围绕环境机械能的高效收集技术方面做了一系列研究,设计和构建了几种新型功能摩擦纳米发电机,从材料选择、结构改进和复合集成等角度出发优化器件的输出性能、耐用性及环境适应性,可分别作为人体运动能和风能等能源的高效收集器件。同时结合纳米发电机的工作原理,深入研究了在自驱动传感方向的应用,实现了快响应、高精度、多功能主动式传感,在推动物联网的节能型发展方面取得重要进展。此外,构建了基于摩擦起电原理的自驱动空气净化器,利用自身高电压输出实现高效去除颗粒物,解 决了能量消耗大的问题,缩短了净化周期,并展示了在工业、交通和日常生活等环境空气清洁的应用前景。本论文主要研究了以下几个方面:设计和构建了一种自回复摩擦纳米发电机,利用卷曲弹簧优化器件结构,降低回复过程的机械能消耗。该纳米发电机的输出电压高达252 V,输出电流为56 μA,最大输出功率为0.52 mW/cm2。通过气流驱动工作,研究了气体因素对输出性能的影响并分析了原因。该纳米发电机可作为自驱动多功能传感器,实现湿度和风速传感,探测范围宽为
20%～80%,响应/回复快约18 ms/80 ms。还组装了无线安全监测系统,运动触发产生电信号驱动警报指示灯,实现无源可视化监测。这一工 作拓宽了纳米发电机在自驱动传感器上的应用范围,包括环境监测、 安全防卫、应急响应等领域。设计和构建了一种柔性阵列式摩擦纳米发电机,采用低维导电纤维作电极,具有高柔性和高分辨率的优势。基于表面摩擦静电荷感应的原理,用作自驱动压力传感器感知外部触碰 情况,无需外界提供电能。分辨率高达127 ×127 dpi,是生物皮肤机械刺激感受器的10倍,响应快约68 ms,灵敏度为0.055 nA/KPa。利 用其高柔性可适应弯曲工作表面,在人体皮肤和甲壳虫外壳上进行了 压力感知研究。还可用于高分辨率压力传感,实现物体实时运动轨迹 追踪,交叉阵列电极的设计大幅减少测试通道数目。这种柔性阵列式 摩擦纳米发电机在电子皮肤、人机交互和可穿戴设备领域有广阔的应用前景。设计和构建了一种摩擦-压电-热释电多效应耦合纳米发电机,具有三明治薄膜结构。通过表面修饰处理,器件表现出优异的抑菌特性。可用作自驱动多功能触觉传感器,利用摩擦-压电效应和热释电效应的响应时间差,提出修正公式可分辨耦合信号,实现压力和温度的 同时传感。研究了在弯曲表面工作时对不同温度物体的触碰感知,还 分析了空间分辨传感的性能。这种多效应耦合纳米发电机对于能量收集器件的设计具有借鉴价值,能够应用在人机界面、智能机器人、假 肢医疗和健康防护等领域。设计和构建了一种由摩擦纳米发电机和热电发电机高效集成的复合纳米发电机,同时收集气体中机械能和热能。利用两者优势互补,该复合纳米发电机可同时输出531 V高电压和
纳米发电机专利技术综述 发表时间：2018-06-25T16:39:00.157Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：陈小玲胡洋 [导读] 摘要：纳米发电机收集能量种类繁多，能够收集空气流动、水体流动和人体活动等在内的多种能量，具有广阔的应用前景。 （国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津市 300300） 摘要：纳米发电机收集能量种类繁多，能够收集空气流动、水体流动和人体活动等在内的多种能量，具有广阔的应用前景。比如，利用纳米发电机制备的传感器阵列能够准确定位和检测压力；用来检测人流密度；在汽车上车轮上安装纳米发电机能够将汽车运动的动能转化为电能；在人的鞋底安装纳米发电机，能够实现一边走路，一边产生电能；基于人体的纳米发电机能够检测脉搏震动，实现健康检测等等。纳米发电机体积小、质量轻、可应用区域范围大，具有很大的发展潜力。 关键词：纳米；摩擦 一、专利技术现状分析 1、压电纳米发电机 压电纳米发电机是以压电效应为工作原理，由压电材料和导电电极构成的三明治结构器件。压电效应是指当压电材料表面受到某个方向的作用力变形时，其内部会产生电极化现象，同时在材料的两个相对表面上分别产生正负电荷，当施加的作用力撤去以后，压电材料又会恢复到不带电状态。 国家纳米科学中心于2013年5月2日申请了一篇关于压电纳米发电机的专利（CN103780143A），本发明压电纳米发电机的一种典型结构，包括：下电极层 11、置于下电极层上表面的第一绝缘层12、置于第一绝缘层上表面的压电层10和压电层10之上的上电极层21，发电机的厚度小于 20μm。 其工作原理是：在外力的作用下，压电层中具有压电性质的材料因受到的应力发生变化而在上下表面之间产生电势差，驱动外电路负载中的电子通过与上电极层21和下电极层11相连的导线进行流动，从而产生相应的电信号。 其中，第一绝缘层12为发电机提供了一个防止电荷通过压电层10与下电极层11之间的界面进行传输和聚集的强大势垒，能够有效的提高发电机的电信号输出性能。基于同样的道理，还可以在上电极层21和压电层10之间再增设第二绝缘层22，并且该第二绝缘层22的上下表面分别与上电极层 21和压电层10贴合，具体参见上图2所示。 为了提高压电纳米发电机的输出性能，还可在压电层10中的压电材料上设置微纳结构，如上图所示，以增加器件在变形过程中的稳定性，该微纳结构可为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。为了使压电层能够更好的形成微纳结构，可在第一绝缘层12的上表面先制备一层种子层101，具体如上图3所示。 2、摩擦纳米发电机 摩擦纳米发电机是利用摩擦电效应和静电感应相结合原理收集环境机械能产生电能的器件。摩擦带电是日常生活中常见的现象，但是对于大多数器件，尤其是对电子器件而言，这种现象都是有害的。然而，摩擦电纳米发电机的问世却改变了这一现象。器件弯曲时，两种有机薄膜材料相互摩擦，分别在其表面产生两种极性相反的电荷，然后器件恢复原状，为了平衡两种材料上电荷产生的电场，上下两层铂金电极上会产生相应量的感应电荷，驱动了电子在外电路中流动，从而把机械能转化为电能。 （1）国家纳米科学中心于2014年1月24日申请了一篇关于摩擦纳米发电机的专利（JP2016-510205A），本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构包括：第一摩擦层10、与第一摩擦层10下表面接触放置的第一导电元件11、第二摩擦层20、与第二摩擦层上表面接触放置的第二导电元件21，第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面相接触，在外力的作用下，第一摩擦层10与第二摩擦层20的接触界面能够发生相对滑动，同时接触面积发生变化，从而通过第一导电元件11和第二导电元件21向外电路输出电信号。 其工作原理是：在有外力F使第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面发生相对滑动摩擦时，由于第一摩擦层10的上表面材料与第二摩擦层20的下表面材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移（参见上图（a）），为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦层10和第二摩擦层20中表面电荷所形成的电场，第一导电元件11 中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件21上，从而产生一外电流（参见上图（b））；当反方向施加外力F时，第一摩擦层10或第二摩擦层20 的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件21中的电子流回第一导电元件10，从而给出一相反方向的外电流，如此往复，形成交流脉冲电流。 （2）纳米新能源（唐山）有限责任公司于2014年4月4日申请了一篇关于摩擦纳米发电机的专利（CN104980058A），其包括外部封装层1和设置在外部封装层1内部的摩擦发电组件2。
纳米发电机 第一,它首次实现了半导体 和压电体双重性能的耦合,为探索该过程中的物理 机制奠定了基础. 第二,它的出现为从纳米器件飞跃 到纳米系统提出了具体的技术路线. 纳米器件 具有尺寸微小(纳米量级) 、功耗小、灵敏度高等宏 观器件所不完全具备的独特优势. 然而目前为这些 先进的纳米器件供电的依然是常规的宏观电源. 压电发电是一种绿色环保的新能源发电技术，具有很好的发展前景，必定会是将来新能源开发工程中的一个重要部分。而随着纳米技术、器件微型化等领域的发展，纳米压电发电将半导体和压电学结合是必然的趋势。纳米压电发电的高效能量转换功能使纳米器件的工作系统和电源供给系统同时微纳型化，保持了自备电源的完整、纳米系统的微小、可体内植入等特性，无论是在生物、军事、
无线通信、无线传感方面都具有广阔的应用前景。 纳米发电机在人们的日常生活中将能够发挥巨大的作用。纳米压电发势。纳米压电发电的高效能量转换功能使纳米器件的工作系统和电源供给 电能利用环境中的机械振动发电，如人行走时鞋子的弯曲可以发电从而给系统同时微纳型化，保持了自备电源的完整、纳米系统的微小、可体内植 脚底保暖。利用衣服的运动从而制造出保暖衣，利用行走时带动手机振动入等特性，无论是在生物、军事、无线通信、无线传感方面都具有广阔的 发电，可以给手机电池充电。维基尼亚科学家HENRY.A SODANO利用压电材应用前景。 料制作的发电系统给电池充电，得出压电振子在谐振工作条件下给一个 40mAh电池充电时间不到1h，利用随机频率充电需要1.5h的结果。 纳米发电机在人们的日常生活中将能够发挥巨大的作用。纳米压电发电能利用环境中的机械振动发电，如人行走时鞋子的弯曲可以发电从而给 脚底保暖。利用衣服的运动从而制造出保暖衣，利用行走时带动手机振动发电，可以给手机电池充电。维基尼亚科学家HENRY.A SODANO利用压电材料制作的发电系统给电池充电，得出压电振子在谐振工作条件下给一个 40mAh电池充电时间不到1h，利用随机频率充电需要1.5h的结果。 3 纳米发电机是一种新型的自供能量的纳米技 术,它运用独特的方式,有可能从人体或外界环境中 收集能量提供给纳米器件和系统. 它有可能有效地 将机械运动能(如人体的运动、肌肉的伸缩、血压的 变化等) ,振动能(如声波或超声波等)以及水压能 (如人体内体液或血液的流动、血管的收缩与舒张、 甚至是自然界其他任何液体的流动)转换成电能提 供给纳米器件. 这一纳米发电机为实现自供能、无线 纳米器件和纳米机器人奠定了理论与实际操作的基 础. 然而,要实现纳米发电机的实际应用仍有一段很 长的路程. 我们必须首先开发多根纳米线,同时开发
纤维纳米发电机问世记 2008-4-11 《瞭望东方周刊》记者张忠霞 / 华盛顿报道 将来用含有纤维纳米发电机的材料制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，这有可能给一个随身的iPod供电 2008年2月，国家纳米中心海外主任、美国佐治亚理工学院华人科学家王中林的研究小组宣布研制出纤维纳米发电机，这项成果对人生四项基本需求——“衣食住行”中的衣，将产生巨大影响。 纳米研究在21世纪初的物理学界很时髦。在纳米尺度下，世界充满着无数的未知，人们认为是常识的东西可能完全变了模样。科学家相信，纳米科学将带来新时代的“蒸汽机”，并导致新技术革命。 飞机上写出的奠基论文 “压电”概念自提出已有100多年历史，简单来说，“压电”就是一些特殊材料在形变下机械能可以转化为电能。但通常认为，当尺寸达到很小尺度时，具有压电性质的材料可能会丧失压电性质。2005年5月，王中林的脑子里第一次产生了测试纳米尺度下氧化锌是否具有压电性质的想法。 学生在实验室里利用原子力显微镜做出的测试结果显示，压电效应确有其事，不过不明显，与他在理论模型中根据假设条件计算得出的相去甚远。王中林回忆当时的困惑时说：“可能差几十倍甚至100倍。” 模型错了，还是此路不通？王中林大胆把原有模型推翻重设，经过几个月的大量实验，终于得到了令人兴奋的数据，氧化锌纳米线可以发电。“我们接下来需要建立与此相关的发电原理，”王中林说。这个原理对于后来的纳米纤维发电机是奠基性的。 “凭着对纳米尺度、固体物理的了解，我提出了一个模型，当时凭直观感觉这一模型是对的。”王中林说。两天之后，在出差去澳大利亚的飞机上，成竹在胸的王中林利用二十几个小时的飞行时间，头戴耳机，闷头写就了压电发电原理论文的第一稿。一些人认为科学家有些“魔怔”，王中林座位边的一对美国夫妇当时肯定正是这种想法。 很快，细化后的论文就被寄到了美国华盛顿特区《科学》杂志社。不过按照科学研究的规律，只是提出原理还不够，得有直接的证据证明它。经过精心设计，验证原理的方案有了。 几天后，负责做实验的学生打电话告诉他：“王老师，您期待的东西我们看到了！”“你们先不要动，我马上过去看看。”眼见氧化锌纳米线的压电效应，王中林赶紧返回家取摄像机试图记录影像资料，作为原理的重要证据。也许好事多磨，摄像机来了，原子力显微镜的
超声波驱动式纳米发电机问世 王丹红发布时间：2007-04-06 11:06科学时报 超声波带动的直流纳米发电机的设计原理和输出的直流电流。电流随超声波的激发而起，停止而息。利用约500根纳米线可连续发出纳安级的电流。 本报北京4月5日讯（记者王丹红）继去年研制出世界上最小的发电机——纳米发电机后，美国佐治亚理工学院教授王中林的研 究小组再次开发出由超声波驱动的直流纳米发电机。这一最新的成果发表在4月6日出版的美国《科学》杂志上。两位评审人对该工作给予高度的评价。一位审稿人认为这是一项极具原创性的科研成果；另一审稿人认为该工作是纳米科技研发的典范，未来在医学生物、国防技术、能源技术和日常生活方面的应用将非常广泛。 王中林说，去年的工作是在原子力显微镜的帮助下，通过压电材料合成的单根纳米线将机械能转化成电能；今年工作的突破性进展是摆脱对原子力显微镜的依赖，使一列纳米线能够同时、连续和“独立”地吸收外界环境中的机械能，并完成到电能的转化与释放，为技术转化和应用奠定了原理性的基础并迈出了关键性的一步。 在研究过程中，王中林和博士后王旭东以及博士生宋金会、刘晋组成了研究小组。他们让氧化锌纳米线在单晶氮化镓衬底上均匀地竖起生长。在纳米线的生长过程中，由于催化剂的作用，一层氧化锌薄膜同时沉积在所有纳米线的底端，因此可以直接用于纳米发电机的一个电极。而另一个电极则被放置于纳米线的顶端，并用柔软的聚合物将四周固定。为了能实现电能的储存和释放，顶部电极与纳米线的接触面被设计成了锯齿状并覆盖了一层数百纳米厚的金属铂（如图）。锯齿状电极是该发明的核心，它模拟了一列拨动纳米线针尖阵列的作用。在顶部电极和纳米线之间还留有一个很小的间隙，使得它们能够进行一定程度上的相对振动或形变。当外界环境中的振动波（在实验中用超声波代替）传到纳米发电机上时，会导致顶部电极的上下振动以及纳米线的左右摆动或共振。 王中林说，摆动中的纳米线将很有可能接触到与之相邻的铂电极表面，由于纳米线所具有的压电效应和它与铂电极间形成的肖特基势垒，每次接触均是通过纳米线带负电势的内表面把形变产生的压电电能释放出来。肖特基势垒的整流作用使得输出的电流为直流，纳米发电机表现出了对超声波良好的响应。在41千赫的超声波的作用下，只有2平方毫米面积的基片能输出约1纳安（nA）的连续电流，并且其电流输出可以保持一个多小时而没有任何衰减。这一原创性设计在世界上率先实现了一种适应性广、生产成本低，并能从周围环境中收集并转换能量的纳米发电机。 谈到超声波驱动的纳米发电机的意义，王中林认为这可被视为纳米压电发电由科学现象到实际应用过程中的一个里程碑性的进展。“它能收集周围环境中微小的振动机械能并转变为