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交流纳米发电机问世等交流纳米发电机问世在两年前发明出第一代纳米发电机的基础上，美国佐治亚理工学院教授王中林研究小组再次研制出高分子薄膜封装的交流纳米发电机。
2006年，在原子力显微镜的帮助下，王中林小组利用竖直结构的氧化锌(ZnO)纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置――直立式纳米发电机。
但直立式发电机的进一步发展仍面临一些困难亟需解决。
王中林说：“一个挑战来自于驱动电极与氧化锌纳米线距离的精确控制，少量的误差就会造成发电机不能正常工作。
另外，直立式发电机工作时自由端和驱动电极要不断接触和摩擦，由此可能造成纳米线和电极的磨损，进而影响纳米发电机的性能和寿命。
”在新型交流纳米发电机中，氧化锌线水平放置于弹性高分子衬底上，其两端分别连接输出电极并固定在衬底上。
由于衬底厚度比氧化锌线的直径大得多，当弹性衬底变形弯曲后，氧化锌线整体被拉伸或整体被压缩。
在压电效应的作用下，压电电场沿着氧化锌线轴向建立并在两端形成电势差。
由于在一端有肖特基势垒的存在，此压电电势差随着氧化锌线的来回弯曲从而驱动了电子在外电路中的往复流动，因此对外接器件产生了交变电流。
当交流纳米发电机工作时，氧化锌线起到的“电容”和“电荷泵”的作用，不断将机械能转换为电能，从而实现从环境中获取能量并有效输出。
单根氧化锌线所给出的最多电压可达到50毫伏。
如果不考虑基片的能量损耗，就氧化锌线而言，发电效率可达7％。
与直立式纳米发电机相比，交流纳米发电机在许多方面有重大突破。
在交流纳米发电机中，氧化锌线被固定在衬底上，避免了与电极的摩擦，从而提高了发电机的稳定性和寿命；更重要的是，电极与氧化锌线间隙大小的苛刻要求在此新型发电机中不复存在，因此降低了发电机的制造工艺难度和成本：与纤维发电机相比，交流纳米发电机克服了不可遇水的弊病；如果把入量的氧化锌线集成在同一个衬底上，其输出功率可进一步大幅提高；交流纳米发电机还可以被容易地封装在弹性材料中，这就大大扩展了它的工作环境和应用范围。
兰州理工大学硕士学位论文溶胶-凝胶法制备纳米ZnO工艺及表面活性剂防团聚机理研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：***20070429硕士学位论文图３．２乙酸锌为原料制备的氧化锌ＴＥＭ图３．２．２硫酸锌体系将硫酸锌加去离子水配成溶液．加入草酸的乙醇溶液，调节ｐＨ为２．５左右·经过洗涤、干燥、煅烧得氧化锌。
所得氧化锌的粒径分布如图３．３所示：图３．３氧化锌的粒径分布图６÷”寥专…ｍ…’睫…翼专；－＿……。
Ｆ多氐”…＿……＂’５ｉｇ·｝ｔ·；·嚣３．…’ｐ皋２：１．１扣…＋÷…‘ＶＯｏＯｌｏ．１ｌｌＯＩ∞１０∞３０∞一ｚｌｌＯ一３ｚ．ｚＯ∞军‘爿四日１５：３０：１９艏摩ｆ“由从图３．３中可以看出，采用硫酸锌为原料制备的氧化锌粉体粒径比较大，且粒径分布范围很宽，可见粉体团聚比较严重。
图３．４为以硫酸锌为原料制备的氧化锌粉末的ｎ｝Ｍ图片图３．４硫酸锌为原料制备的氧化锌的ＴＥＭ图从图３．４可以看出，氧化锌团聚严重。
且粉末形貌不均匀，不规财．溶胶一凝胶法制各纳米ｚｌｌＯ工艺及表面活性剂防团聚机理研究（ａ）草酸为络合荆（ｂ）柠檬酸为络合剂（ｃ）柠檬酸三铵为络合剂（ｄ）硬脂酸为络合剂图３．５不同络合剂制备的氧化锌的ＴＥＭ图３…３２３ＸＲＤ分析采用四种络合剂制备的氧化锌粉末的ＸＲＤ图如图３．６所示５Ⅲ●Ⅻ宅３”ｏ２０∞＇Ｏ∞Ｏ＇Ｏ∞拍柏∞∞加８０９０１∞”Ｏ１２０２／ｅ‘’）图３．６Ｃａ）草酸为络合剂氧化锌ＸＲＤ图谱。
基于ZnO纳米线压电性质的发电机纳米材料期中考试论文摘要：基于纳米结构的ZnO压电纳米发电机（NGs),由于其特殊的压电效应和小尺寸效应，可以收集环境中的能量（比如声能，振动能）并将其转化为电流。
我们可以利用这种压电电流，给诸多微电子器件供能。
这种供能方式无疑将会给未来的无线电子器件的发展带来极大的动力。
佐治亚理工大学的王中林研究组在这方面做出了开拓性的贡献。
该研究组开发了两种ZnO纳米发电机，一种是通过超声波驱动并产生直流电的发电机，虽然这种发电机以一种全新的方式引出了压电电流，但这种发电机的稳定性以及发电效率都比较低，在实际的应用和制造过程中不太理想。
后来该研究组改进了发电机的发电方式，利用嵌于软物质里面的ZnO纳米线的往复弯曲来产生电流，这种发电方式的稳定性和发电效率都有很大的提高，但是实际的应用前景不太大。
两种发电机的基本原理是相似的，主要包括两方面：第一，外力驱动产生压电电流；第二，利用MS结的整流性质将产生的微电流整合，产生可观测的现象。
本文将结合王中林的研究对这两种发电机的工作原理做相关的论述，并对纳米压电材料的应用提出自己的一些想法。
一．压电效应简介当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力，那么在此薄片上将会产生电荷。
如果按相反方向拉伸这一薄片，在此薄片上也会出现电荷，不过符号相反。
挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多。
如果在薄片的两端镀上电极，并通以交流电，那么薄片将会作周期性的伸长或缩短，即开始振动。
在纳米尺度范围内的ZnO线晶体，在（001）或（00-1）方向具有明显的压电性质。
图二为制备的纳米线ZnO晶体阵列。
二．金属-半导体结（MS）及其整流性质的简介。
王中林– 简介(updated on 07/10/2011)王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)。
1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。
王博士现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。
王中林现任佐治亚理工学院和北京大学联合办学材料系美方首席代表,武汉光电国家实验室（筹）海外主任，国家纳米科学中心海外主任。
王教授是中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。
王教授荣获了美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐佐治亚理工学院2000和2005年杰出研究奖﹐2005年Sigma Xi 学会持续研究奖，2001年S.T.Li奖金(美国)﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，美国自然科学基金会CAREER基金﹐中国首批国家自然科学基金会海外优秀青年科学家基金,中国科学院海外杰出学者基金获得者。
他是英国Manchester大学名誉教授，教育部 “长江”特聘讲座教授，台湾国立清华大学晶元讲座教授和名誉讲座教授。
他是科学院半导体所名誉教授, 科学院化学所名誉教授,中山大学名誉教授，华中师范大学名誉教授,南京航天航空大学名誉教授,兰州大学名誉教授，天津大学名誉教授，西安电子科技大学名誉教授,中南大学名誉教授。
他成功地组织和担任过二十次学术会议的主席。
王教授是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow。
王教授已在国际一流刊物上发表了700篇期刊论文（其中十篇发表在美国《科学》，三篇发表在《自然》期刊上；六篇发表在《自然》子刊上）﹐45篇书章节﹐36项专利，5本专著和20余本编辑书籍和会议文集。
他已被邀请做过660多次学术讲演和大会特邀报告。
利用压电极化效应实现ZnO回音壁激光模式动态调控
作者：暂无
来源：《科学中国人》 2019年第2期
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、潘曹峰研究员及卢俊峰博士结合Z n
O光学微腔自身压电特性及其激光模式，通过外部机械应变产生的Z n O谐振腔晶体内部的离
子极化，改变折射率，实现相干激光的动态调控。
研究论文发表于ACS Nano 。
文章系统分析
了应变对ZnO折射率的影响，建立了应变与模式移动的对应关系，获得了超精确度的应力传感，相比较压阻效应引起的能带移动所导致的自发辐射谱的移动，其光谱分辨能力提升了一个数量级。
该研究为动态调控相干光源提供了一种行之有效的方法，同时也为发展一种基于颜色分辨
的应力传感元器件提供了新思路。
ZnO薄膜的溶胶凝胶法制备工艺及其性能的研究的开题报告一、选题背景氧化锌（ZnO）在多个领域都有广泛的应用，例如透明导电材料、光催化剂、发光材料、紫外光吸收剂等。
其中，ZnO薄膜在透明电子学、薄膜太阳能电池、传感器等方面也有着重要的应用价值。
溶胶凝胶法作为一种简便、可控的制备方法，已经被广泛用于制备ZnO薄膜，该方法可以通过调节制备条件来控制ZnO薄膜的性质和性能。
二、研究目的与意义本研究旨在通过溶胶凝胶法制备ZnO薄膜，并研究其制备工艺对薄膜性能的影响，主要包括薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质和电学性质等。
该研究在深入理解ZnO薄膜的制备过程和相应性能基础上，为其在透明电子学、薄膜太阳能电池、传感器等领域的应用提供了理论和实验基础。
三、研究内容和方法3.1 研究内容（1）制备ZnO薄膜的溶胶凝胶工艺，研究不同制备条件下薄膜的晶体结构和表面形貌；（2）通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等表征手段，分析制备ZnO薄膜的物理结构和形貌；（3）使用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）和荧光光谱仪等测试设备，研究制备ZnO薄膜的光学性质；（4）使用四探针测试仪等测试设备，研究制备ZnO薄膜的电学性质。
3.2 研究方法（1）准备所需的化学品和制备溶液；（2）通过控制pH值、温度和制备时间等工艺参数，制备ZnO薄膜；（3）采用XRD和SEM等表征手段对薄膜进行物理结构和形貌分析；（4）使用UV-Vis和荧光光谱仪等测试设备对薄膜的光学性质进行研究；（5）使用四探针测试仪等测试设备对薄膜的电学性质进行研究。
四、预期成果与结论通过本研究，预期可以制备出优质的ZnO薄膜，并分析不同制备条件下薄膜的物理结构、形貌、光学性质和电学性质等，初步探究其制备工艺对ZnO薄膜性能的影响。
同时，结合先前研究的成果和实验结果，将得出相应的结论，为ZnO薄膜在透明电子学、薄膜太阳能电池、传感器等领域的应用提供一定的理论和实验基础。
ZnO诱导的ZIf-8膜制备及其渗透性能研究中期报告一、研究背景和目的分子筛膜是一种高效的气体和液体分离技术，具有广泛的应用前景。
然而，传统的分子筛膜制备方法往往复杂、耗时，并且很难控制膜的微观结构和性能。
因此，发展新型的、简单的分子筛膜制备方法，对于提高膜的性能、降低成本和扩大其应用范围具有重要意义。
ZIf-8是一种晶态有机金属骨架材料（MOF），具有高度的孔隙度和特殊的分子识别性能，被广泛应用于气体吸附、质量传输和分离等领域。
近年来，越来越多的研究表明，利用ZIf-8作为模板，在其上形成分子筛膜具有许多优势，例如可控制膜的厚度、提高膜的层间质量传输性能等。
因此，开发一种制备ZIf-8分子筛膜的简单、高效、可控的方法是十分有必要的。
本项目旨在通过使用ZnO为模板，利用化学气相沉积（CVD）的方法在ZIf-8晶体表面形成分子筛膜，并对膜的结构和性能进行研究。
二、研究进展和结果1. ZIf-8晶体的制备采用水热法制备ZIf-8晶体，通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对晶体的结构和形貌进行了表征。
结果显示，所制备的ZIf-8晶体具有明显的棱柱状形貌，峰位在7.59°处的XRD图谱也与理论值相吻合，表明所得晶体具有典型的ZIf-8晶体结构。
2. ZIf-8晶体表面的氧化锌纳米颗粒的沉积使用溶胶-凝胶法在水热合成的ZIf-8晶体表面沉积氧化锌纳米颗粒。
SEM结果显示，所得ZnO纳米颗粒的直径约为40-60 nm，分布均匀且与ZIf-8晶体表面结合紧密。
3. ZIf-8晶体表面的分子筛膜的制备利用ZnO纳米颗粒作为模板，采用CVD方法在ZIf-8晶体表面形成分子筛膜。
对所得膜的结构和性质进行了表征。
XRD和SEM结果表明，所制备的分子筛膜与ZIf-8晶体具有相同的晶体结构和形貌。
透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）结果显示，膜的厚度约为100 nm，具有典型的分子筛层间空隙结构。
第２期中国科学基金８５・封面故事・发电衣的原型——纤维纳米发电机问世本－ｙ４编辑部能源、信息、材料是人类文明的三大支柱领域，而纳米科学与技术将这些领域成功地融合在一起，成为新世纪最重要并且是最富有生命力的一个科技领域。
目前的纳米科技已经从早期对纳米材料的结构和基本物理化学特性的研究发展到利用纳米材料的优良特性来有目的地制造纳米器件，从而更好地为人们的生产生活服务。
各种各样的纳米器件纷纷被制造出来，纳米传感器、纳米电动机甚至纳米机器人等先后进入人们的视野。
但与此同时，给这些微型化、集成化的先进纳米器件提供能量的仍是一些传统的电源。
如电池等。
开发出纳米尺度的电源系统将为纳米器件的进一步小型化、集成化提供基本的能源基础，具有划时代的重要意义。
继２００６年和２００７年相继成功开发出直流纳米发电机后，美国佐治亚理工学院（ＧｅｏｒｇｉａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）王中林研究小组在纳米发电领域再次取得突破性进展。
他们通过将氧化锌纳米线生长在弹性纤维上。
成功将纤维的低频震动转化为电能。
这项研究成果发表于２月１４日出版的＜自然）杂志之上。
审稿人高度评价了该工作“这是一具有突破性，很有创意的研究……作者的思路是革命性的。
”这一发明为纳米发电机在生物技术、纳米器件，个人携带式电子设备以及国防技术等领域的应用开拓了更为广阔的空间。
这项工作仍然是建立在王中林教授于２００６年提出的压电电子学（Ｐｉｅｚｏｔｒｏｎｉｃｓ）学科基础上的。
由于氧化锌具有独特的半导体和压电性质，弯曲的氧化锌纳米线能在其拉伸的一面产生正电势，压缩的一面产生负电势。
氧化锌半导体和金属电极之间的肖特基势垒则能控制电荷的积累与释放。
从而实现机械能到电能的转化并有效释放。
２００７年初，王中林研究小组利用这一原理，成功地运用超声波带动纳米线阵列运动，首次实现了能独立从外界吸取机械能，并转变为电能地纳米发电机模型。
在超声波的带动下。
这种纳米发电机已能产生上百纳安的电流。
近日出版的英国《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地萑纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。
国际纳米技术领军人物、哈佛大学教授ＣｈａｄｅｓＬｉｅｂｅｒ说，“该工作极其令人振奋．它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案，那就是如何为许多研究组发明的纳米器件提供电力的问题。
，王教授利用他先创的氧化锌纳米线将机械能转化为电能．在这个问题上他显示了巨大的创造性。
”王中林早在７年前就认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其他纳米材料不可替代的作用．因此．他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。
２００１年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用１１００多次。
之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。
王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。
他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统。
它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量。
并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。
这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。
”●链接王中林教授于１９８２年毕业于西安电子科技大学，并于同年考取中美联合招收的物理研究生（ＣＵＳＰＥＡ），１９８７年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现任美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心主任，是国内外著名的纳米技术专家。
王中林教授已在国际一流刊物上发表期刊论文４００余篇，会议论文１４０余篇，拥有专利８项，出版４本专著和１５本编辑书籍。
王中林教授因其对“纳米技术领域的材料科学以及基础发展做出的杰出及持续的贡献”，２００２年当选为欧洲科学院院士，２００４年当选为世界创新基金会院士，２００５年当选为美国物理学会院士。
第26卷 第6期2006年6月 物 理 实 验 P H YSICS EXPERIM EN TA TION Vol.26 No.6 J un.,2006 收稿日期:2005208213;修改日期:2006204207 作者简介:林传金(1979-),男,福建漳浦人,北京师范大学物理系2003级硕士研究生,研究方向为低维材料及其物性. 通讯作者:王引书(1967-),女,甘肃静宁人,北京师范大学物理系副教授,博士,主要从事低维半导体材料的性能研究.氧化锌及纳米氧化锌研究进展林传金,田 强,王引书(北京师范大学物理系,北京100875) 摘 要:ZnO 是一种重要的直接宽带隙半导体,室温下禁带宽度为3.37eV ,激子束缚能为60meV ,对于开发蓝绿、蓝光、紫外等多种发光器件有巨大潜力.纳米ZnO 表现出与体材料明显不同的电学、磁学、光学、化学等性质,是目前纳米材料的研究热点之一.本文介绍了ZnO 和纳米ZnO 的一些基本性质,综述了近年来纳米ZnO 的合成以及应用等方面研究的一些进展.关键词:ZnO ;纳米ZnO ;研究进展中图分类号:O493 文献标识码:A 文章编号:100524642(2006)06200122081 引 言近十年来,宽带隙半导体材料如禁带宽度为3.0eV 的6H 2SiC (2K )和禁带宽度为3.5eV 的GaN 一直活跃在最前线[1].ZnO 作为另一种宽带隙半导体材料,室温禁带宽度为3.37eV ,自由激子束缚能为60meV ,正以其优越的特殊性质得到广泛的关注.1997年,中国香港科技大学的Zu 和Tang [2]等人首先报道了激光分子束外延(PL MB E )生长的ZnO 薄膜在室温下的光泵浦紫外受激发射,目前关于多种纳米微晶结构的ZnO 室温紫外激光发射已有很多的报道[3～5],这也为半导体激光器件的研制提供了新的途径.随着p 型ZnO 研究不断取得进展,国际ZnO 研究权威Look 教授2004年在对ZnO 光发射器件的未来展望中指出,p 2n 同质结ZnO 激光器在不久的将来将成为可能[6].ZnO 在低维结构研究领域也是一个热门的课题,有关纳米ZnO 合成的新技术及各种特殊性质不断得到报道.2 Z nO 的基本性质ZnO 在常温下的稳定相是六角纤锌矿结构,ZnO 在室温下的禁带宽度为3.37eV ,导带为类S 态并具有Γ7对称性,价带为类P 态,由于自旋2轨道与晶体场的相互作用分裂成3个双重简并的能级(A ,B ,C ).关于价带的对称性,Reynolds ,Look 等人[7]1999年在高质量ZnO 单晶发射谱中首次观察到本征激子跃迁,并且通过对这些激子谱性质的研究,得到A ,B ,C 的对称性依次为Γ9,Γ7,Γ7.表1给出ZnO 的一些基本参量.表1 Z nO 的基本参量参 量数 值空间群P63mc晶格常量a =0.325nm ,c =0.520nm禁带宽度(R T ) 3.37eV 激子束缚能60meV 密度 5.642g/cm 3熔点1975℃莫氏硬度 4.5热导率1.16±0.08W/(cm ・K )1.10±0.09W/(cm ・K )本征载流子浓度 1.7×1017cm -3(R T )迁移率(n 型)196cm 2/(V ・s )抗辐射能2MeV 电阻率1012Ω・cm3 纳米Z nO 的制备3.1 Z nO 纳米颗粒的一些主要制备方法3.1.1 气相法这种方法主要通过Zn 蒸气在氧气中直接氧化,或者在真空(或惰性)气氛中,高温加热利用喷雾法导入的Zn(NO3)2[8]使其热分解,最后生成纳米ZnO.3.1.2 液相法液相法是生产纳米ZnO的一种重要方法,主要有均匀沉淀法[9～10]、直接沉淀法[11]、溶胶2凝胶法[12～13]等.直接沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂后,在一定的条件下将沉淀析出,除去阴离子后加热,制得纳米氧化物.常见的沉淀剂有:氨水(N H3・H2O)、碳酸铵((N H4)2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、草酸铵((N H4)2C2O4)、碳酸氢铵(N H4HCO3)等.均匀沉淀法是利用某一化学反应使沉淀剂在整个溶液中均匀地释放构晶离子,并使沉淀在整个溶液中缓慢均匀地析出.常用的沉淀剂有:尿素(CO(N H2)2)、六亚甲基四铵((CH2)6N4).溶胶2凝胶法(sol2gel)主要是用锌盐与有机醇反应生成前驱体,加入碱反应得到原生ZnO胶体,通过脱水、干燥处理得到纳米ZnO.对于溶胶2凝胶法,由于生成的纳米颗粒存在表面缺陷和悬键,为了减少表面缺陷和悬键,又有利用化学方法有效地对纳米ZnO进行表面修饰,在纳米ZnO表面添加适当的覆盖层材料,改变表面形貌使其表面钝化,常用有机物作为覆盖层材料,如聚乙烯基吡咯烷酮(PV P)[14].3.1.3 固相法这种方法主要采用在室温条件下,通过机械化学反应生成ZnO前驱体,加热后产生ZnO,通过洗涤烘干得到ZnO纳米颗粒.2001年,Tsuzu2 ki等人[15]通过长时间研磨ZnCl2和Na2CO3,两者反应ZnCl2+Na2CO3ZnCO3+2NaCl,加热生成物ZnCO3△ZnO+CO2,在实验中不加NaCl得到直径100～1000nm有团聚的ZnO颗粒,而整个过程加入NaCl后得到10～40nm的纳米颗粒.2003年,Shen等人[16]报道了通过室温下研磨Zn(CH3COO)2和H2C2O4・2H2O的混合物,整个过程加入NaCl,最后得到直径只有3～4nm分布均匀的ZnO纳米晶,并在吸收谱观察到明显的量子尺寸效应(蓝移).3.2 Z nO纳米线(纳米棒)的制备纳米棒、纳米线属于准一维实心的纳米材料,即在二维方向上为纳米尺度,长度比二维方向上的尺度大得多,有可能为宏观量,而纵横比(长度与直径的比率)小的成为纳米棒,纵横比大的称为纳米线.现在关于准一维纳米ZnO的制备的报道较多,方法也各异.3.2.1 气相法这是一种常用的方法,通过直接蒸发、或者化学还原、或者气体反应生成拟生长纳米线,然后通过气体输运到较低温度的固体衬底表面上,最后得到一维纳米材料.其中利用气-液-固过程合成ZnO纳米线较多.首先通过在高温下,反应物气体溶解到纳米尺寸的催化剂液滴中,接着形核、生长成纳米棒然后成线,最后被气体输运到较低温度衬底上.生长的温度一般在900～1100℃,常用的催化剂有Au[17],Fe2O3[18],Se[19]还有Ni[20]等,生成的ZnO纳米线明显的特征就是通过透射电子显微镜(TEM)可观察到纳米线端存在含有催化剂组分的合金,通过控制纳米催化剂的尺寸可以生长不同直径的纳米线[17].不过由于存在催化剂,使得生成的纳米线不纯,为了避免催化剂引入的杂质,Park等人[21]报道了一种无催化剂的金属有机气相外延生长的ZnO纳米棒, Roy等人[22]又研究了不同条件下生长的ZnO纳米棒的发光与结构性质.3.2.2 分子束外延生长分子束外延生长(MB E)的主要机理是在超真空条件下,相对地放置衬底和几个分子束源炉(喷射炉),将组成化合物和掺杂剂元素分别放入不同的喷射炉内,加热使它们的分子(或原子)以一定的热运动速度和一定的束流强度比例喷射到加热的衬底表面上,与表面相互作用(包括在表面的迁移、分解、吸附和脱附等)并进行单晶薄膜的外延生长.该方法具有生长温度低,可随意改变外延层的组分和掺杂,可在原子尺度范围内精确地控制外延膜的厚度、异质结界面平整度和掺杂分布等特点,主要应用于制备二维和三维图形结构的薄膜.最近,Heo等人[23]利用Ag作催化剂驱使MB E生长制备出直径仅有15nm位置可控制的单晶ZnO纳米棒[图1(a)],通过这种方法他们又生长出纤锌矿(Zn,Mg)O异质结构[图1 (b)],仪器主要结构如图1(c)所示.为了实现生长出的纳米线从生长衬底到加工器件衬底的转移,他们着重介绍了声波降解的方法:把原生长纳米线与衬底放在乙醇中经过5min超声波降解,降解后ZnO纳米线大部分从原衬底脱离并分散31第6期 林传金,等:氧化锌及纳米氧化锌研究进展(a )ZnO 纳米棒(TEM)(b )(Zn ,Mg )O异质结构(c )MB E 仪器结构示意图图1 Ag 催化剂驱使MB E 生长纳米棒在乙醇溶液中,把纳米线乙醇溶液分散到新的衬底上,然后通过蒸发掉乙醇,从而在新的衬底上得到ZnO 纳米线.为了避免纳米线随机分布而不利于器件加工,一般先在新的衬底上通过特殊手段做上标记,这样就可以通过软件控制的电子束写入进行相关金属接触并加工.ZnO 纳米线衬底转移的主要机理如图2所示,纳米线端由于存在催化剂组分的合金,在新的衬底上依然存在,不过对于做金属接触是有利的.3.2.3 其它方法金属有机气相沉积(MOCVD )[24～25]、化学气图2 声波降解法实现纳米ZnO 的衬底转移相沉积(CVD )[26]及用电沉积Zn 在加工成的矾土纳米沟上然后进行直接氧化成规则排列的ZnO纳米线阵列[27]等都能实现ZnO 纳米线合成,并且在温度较低时即可实现.特别是在最近几年,一种在水溶液中用化学的方法在不同的衬底上生长ZnO 纳米棒、纳米管的报道受到一定的关注,Lio nel 等人[28～29]在水溶液中,通过控制热动力、形核动能产生前驱体,然后通过控制界面应力实现材料可控生长,ZnO 纳米线的尺径最小可以达到10～20nm.关于这方面相关的研究已经有很多的报道[30～31].在这些方法中,MB E 生长的纳米线一方面质量好、可控制、易进行加工,另一方面也比较容易实现异质结生长,因此,MB E 算是目前比较理想的方法.水溶液的化学方法成本很低,温度低于100℃,实验相对容易,目前存在的困难在于如何进一步降低尺寸以及相关机理的探索.3.3 各种结构的纳米Z nO现在已经合成结构多样的纳米ZnO ,特别是王中林等人[32]通过固相热蒸发过程控制生长温度和源材料化学组成,制备出梳形纳米ZnO 、ZnO 纳米环、纳米线、纳米弹簧、纳米笼等多种形态纳米结构,并且他指出,ZnO 纳米结构在目前所有纳米材料中是最为丰富的,甚至超过碳纳米管.多种形态的ZnO 纳米结构为新的研究与应用提供更为广阔的前景.4 Z nO 、纳米Z nO 性质研究与进展4.1 光学性质氧化锌单晶在可见光透过率达到90%,在室41 物 理 实 验第26卷温下(或低温下)ZnO及纳米ZnO光致发光谱(PL)普遍存在2个较宽的发光带,在520nm附近的宽绿色发光带和在380nm附近一系列施主束缚激子峰的紫色发光带,关于这2个发光带的产生机理一直是研究的话题[7,33～36].绿色发光带有时也存在丰富的结构[37],关于绿色发光带一般被认为是杂质或缺陷态(O空缺、Zn填隙)的发光,但是相关机理还有待进一步研究.对于ZnO单晶或体材料由于受激发射强度随温度升高迅速 灭,一般在室温下观察不到强的紫外发射,Zu等人[2]报道了在室温下观察到ZnO薄膜光泵浦紫外发射以来,到目前已经实现了在室温下ZnO纳米线[5]、纳米带[38]等的紫外发光,据2005年1月份《世界激光聚焦》报道,美国西北大学材料研究中心已经制成了在室温下近紫外光泵浦光子晶体激光器.ZnO在短波长光电子器件具有巨大的潜力,目前虽然实现了光泵浦的紫外发射,但是最理想的是做成p2n同质结材料,不过p型ZnO的合成一直以来是个困难,所以稳定的、可重复再现的p型ZnO合成一直是很多人研究的热门,Loo K 教授曾经对2003年ZnO p型掺杂重要进展的9篇论文做过评述[39],其中有我国浙江大学硅材料国家重点实验室叶志镇课题组的工作及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态重点实验室刘益春课题组用热氧化氮化锌方法制备p2 ZnO的工作.2005年,据美国陶瓷学会报道,日本的研究人员已经生产出稳定的、可重复的p型ZnO,并在用同质结构的p2n结ZnO制成的半导体激光器实现蓝紫外电致发光,同年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态重点实验室的研究组在蓝宝石衬底上制备出ZnO p2n结发光二极管[40].可以预见,ZnO作为短波光电器件即将成为可能.4.2 电学性质目前已经可以合成质量好的ZnO单晶,在这种单晶中一般存在较低的本底杂质、点缺陷及位错浓度,从而显示出较好的电学性质[1].随着纳米合成技术、金属接触研究的发展,现在关于ZnO纳米线电学性质研究也得到不断报道,Park 等人[41]通过电流感应的原子力显微镜(CSA FM)对ZnO纳米棒及Au/ZnO异质结构纳米棒进行I2V特性测量表明,纯ZnO纳米棒I2V特性显示出非线性而且不对称,呈现出整流、有点像二极管的性质(图3),反向击穿电压达-3V,正向域值电压为0.5～1V.(a)(b)图3 纯ZnO纳米棒I2V特性图4是通过改进的Au肖特基接触Au/ZnO 异质结构纳米棒的I2V特性曲线,反向击穿电压达到-8V,可见金属接触对纳米棒电学性质测量具有重要影响.目前除用Au外,Heo[23]用Pt(a)(b)图4 Au作肖特基ZnO的I2V特性51第6期 林传金,等:氧化锌及纳米氧化锌研究进展做成ZnO 纳米线的金属接触,在黑暗中测量发现Pt/ZnO 纳米线I 2V 特性呈整流特性,而在紫外照射下却呈欧姆特性(线性),如图5(实线与虚线)所示,他们把这种现象归结于紫外照射降低了金属接触与ZnO 纳米线之间的势垒,从而使肖特基接触转变为欧姆接触.图5 Pt/ZnO 纳米线I 2V 特性此外Au/Ti/ZnO 纳米异质结呈现出线性I 2V 特性,意味着Au/Ti 也可与ZnO 纳米线形成欧姆接触.对于已经制成的p 型ZnO ,Makoto 等人[42]用Au 做金属接触,通过2min 300～520℃退火,其I 2V 特性也呈现较好的欧姆特性.目前关于肖特基与欧姆接触也是ZnO 研究领域的一个主要内容,只有好的金属半导体接触才有利于器件的制造与应用.4.3 氧化锌的铁磁性质通过操纵半导体中的自旋(即自旋电子学)代表了电子功能材料一个崭新的研究范畴,目前正在发展的这种想法为从事基于辨别、操纵电子自旋分布的器件理念提供了非常好的基础.ZnO 作为重要的直接宽带隙半导体,在电荷、光电子和基于电子自旋的性能方面为自旋电子学研究提供了得天独厚的条件.Dietl [43]预言在p 型ZnO 通过Mn 掺杂将可以实现室温下载流子控制的铁磁性,对于n 型ZnO ,初始计算也预言大部分过渡金属离子包括Co 和Cr 掺杂也可以实现铁磁性,但是对于Mn 掺杂只能通过空穴掺杂调制(即p 型ZnO ),Y.W.Heo 等人[23]也报道了在低温(10K )下的磁滞现象(图6).通过控制半导体中自旋可以生产相关的器件:如自旋光发射二极管、自旋场效应管(图7)及量子计算机的自旋量子位等.但是关于这方面的相关机理还有待于进一步研究.(a )n (ZnO ∶Sn )∶n (Mn )=97∶3(b )n (ZnO ∶Sn )∶n (Mn )=95∶56 Sn 和Mn 掺杂低温(10K )下ZnO 纳米线磁滞现象(a )自旋2L ED(b )自旋2FET图7 ZnO 纳米线自旋场效应管、发光二极管图4.4 其它性能研究ZnO 材料结构与性能的研究发展到今天已经在原来的基础上不断开拓新的研究领域,例如:ZnO 气敏性能研究,ZnO 掺杂,氢在ZnO 中的研61 物 理 实 验第26卷究,低温下光学性质的研究,基于ZnO与纳米ZnO器件的加工,纳米ZnO的各种量子效应,还有基于ZnO的复合材料与结构,等等.研究内容不断丰富,新的材料与现象不断被发现,器件加工也取得了一些进展,新的应用也开始用于生产.5 Z nO及纳米Z nO应用简介与展望ZnO有许多优质性质,如ZnO本身无毒对人身体无害,在可见光透明并可以吸收紫外线,具有较大的机电耦合系数,对某些气体能在其表面吸附2解析,等等.纳米ZnO(1～100nm)由于颗粒尺寸细微化,表现出与体材料不同的奇异特性,如表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应等.这些性质使得ZnO在很多领域得到广泛的应用,如多晶ZnO在表面声波器件(SAW)、光波导器件、声光媒质、导电气敏传感器、压电转换器、变阻器、荧光物质和透明导电薄膜等都具有重要的应用.纳米ZnO更是一种面向21世纪新型功能材料,其主要应用有[44～45]:在化妆品中作为重要的新型防晒霜和抗菌剂,在纺织工业、自洁性陶瓷与抗菌玻璃、橡胶工业、建筑材料涂料工业、催化剂和光催化剂、隐身技术等都有很好的应用.随着高质量、大尺寸单晶ZnO生产已经成为可能,单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料.ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似,晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小,可以解决目前GaN生长困难的难题.GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料,在DVD播放器中有重要的应用,由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多,主要是美国、日本,所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力.据A2 sia Pulse2005年1月13日一则报道:日本东京Denpa公司将投资4亿日元(约390万美元)购买4个ZnO单晶生产炉,预计可获得年收入达9～10亿日元,足见其经济效益十分可观.ZnO最为诱人的应用就是制作同质结紫外半导体激光器,对于光泵浦ZnO紫外发射和自形成谐振腔早已经成为可能,基于ZnO单晶的光子晶体激光器也已实现,但是最理想的还是制造电泵浦ZnO紫外激光器(基于同质ZnO p2n结),目前关于p型ZnO的研究已经取得了重要进展,多个研究小组都宣布已经合成p型ZnO,特别是来自美国陶瓷学会2005年3月份的一则消息[46],日本的一个合作小组合成稳定的、可重现的p型ZnO并在室温下实现电泵浦ZnO(p2n结)紫外发射.我国浙江大学硅材料国家重点实验室叶志镇课题组及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态重点实验室刘益春课题组在p型ZnO薄膜掺杂研究中也取得了重要进展.可以看到,随着这些技术的进一步发展,ZnO的p2n同质结不久将成为可能,ZnO半导体激光器将在实际应用中发挥特殊的作用.另外基于ZnO、纳米ZnO的发光二极管也被不断地开发出来,同时,基于各种形态的纳米ZnO在不久的将来也可实现制造多种新型的功能器件,如:ZnO纳米线发光二极管、场效应管,单电子晶体管,自旋光发射二极管,自旋场效应管,还有量子计算机的自旋量子位以及各种新型气敏探测器,等等.2005年12月在江苏省南京市召开了第二届全国氧化锌及相关材料的学术会议,这次会议集中展示了2年来我国在氧化锌研究方面取得的成果,研讨氧化锌研究中存在的主要问题和解决的途径,进一步加强了学术交流与合作,通过这次会议,必将进一步推动与促进我国氧化锌材料与器件的发展.6 结束语ZnO具有宽直接带隙和大的激子束缚能,在蓝光、蓝绿、紫外半导体激光器开发方面具有巨大的潜力与良好的应用前景;纳米ZnO的丰富结构和基于ZnO的独特性质为低维材料的研究与应用提供了得天独厚的广阔领域.目前,我们实验室也开展了一些有关纳米ZnO电学、光学等方面性质的研究,用液相沉淀法和溶胶2凝胶法制备了不同掺杂的纳米ZnO样品,光致发光谱(PL谱)、电调制谱等的研究和分析,得到了纳米ZnO在蓝光区域的发光带.另外,我们也已经通过水溶液的化学方法在玻璃衬底上生长出的ZnO纳米棒,研究了各种实验条件对纳米ZnO生长的影响,进一步的研究工作正在进行.参考文献:[1] Look D C.Recent advances in ZnO materials anddevices[J].Mat.Sci.Eng.,2001,B80:383～387. 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美开发出振动即可发交流量电的ZnO纳米线
张忠模
【期刊名称】《功能材料信息》
【年(卷),期】2008(000)0Z1
【摘要】据报道,美国佐治亚理工学院华裔科学家王中林教授的研究小组日前宣布开发出了采用氧化锌(ZnO)纳米线可发交流电的元件。
【总页数】1页(P121-121)
【作者】张忠模
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TB383.1
【相关文献】
1.美利用银纳米线开发出弹性导体 [J],
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3.美国利用银纳米线开发出弹性导体 [J], W．AS
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5.美国研制出白光ZnO纳米线LED [J], 郝云
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Zno纳米棒功能性聚酯织物的多类型自洁特性2016175佚名
【期刊名称】《印染》
【年(卷),期】2016(42)18
【摘要】优化了纳米棒功能性超疏水织物的制备条件，并得到了三种类型的自洁特性，即物理型、化学型和生物型。
物理型的自洁特性类似于荷叶效应，通过测量与水的接触角和平衡接触角来衡量自沽效果。
化学自洁则是在紫外线下，经ZnO 光催化对色斑和溶液进行降解。
生物自洁则是指功能性纺织品的抗菌性。
【总页数】1页(P61-61)
【关键词】功能性纺织品;Zno纳米棒;聚酯织物;多类型;自洁;特性;制备条件;荷叶效应
【正文语种】中文
【中图分类】TS106.69
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Flexible High-Output Nanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire ArrayGuang Zhu,†Rusen Yang,†Sihong Wang,and Zhong Lin Wang*School of Materials Science and Engineering,Georgia Institute of Technology,Atlanta,Georgia 30332-0245ABSTRACT We report here a simple and effective approach,named scalable sweeping-printing-method,for fabricating flexible 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 first 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 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-poweringEnergy harvesting is critical to achieve independent and sustainable operations of nanodevices,aiming at building self-powered nanosystems.1-3Taking theforms of irregular air flow/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 specific high resonance frequency.Recently,a series of rationally designed nanogenerators (NGs)with piezoelectric nanowires (NWs)have shown great potentialtoscavengetinyandirregularmechanicalenergy.8-15However,insufficient electric output hinders their practical applications.We report here a simple and effective ap-proach,named scalable sweeping-printing-method,for fab-ricating flexible 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 field along the length,which causes a transient charge flow in the external circuit.The Schottky contact at the bonded ends can regulate the charge flow.As a result,the bending and releasing of the single-wire-NG gives rise to an alternat-ing flow 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 efficient.The method consists of two main steps.In the first 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 flat surface that faces downward and holds the vertically aligned NWs;stage 2has a curved surface and holds the receiving substrate.Polydimethylsiloxane (PDMS)film 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@.†Authors with equal contribution Received for review:6/3/2010Published on Web:07/21/2010(Figure 1b,Supporting Information Figure S2).The same growth direction of NWs guarantees the alignment of the piezoelectric potentials in all of the NWs and a successful scaling up of the output,which will be elaborated later.A small piece of Si substrate with grown ZnO NWs was mounted onto stage 1(Figure 1a)and a piece of Kapton film with the thickness of 125µm was attached to stage 2(Figure 1a).The distance between the receiving substrate and NWs was precisely controlled to form a loose contact between the two.The receiving substrate then counterclockwise swept across the vertical NWs arrays,which were detached from Si substrate and aligned on the receiving substrate along the direction of sweeping due to the applied shear force (Figure 1a).The as-transferred NWs are presented in Figure 2c with an estimated average density of 1.1×106cm -2.The length variation is probably due to the fact that not all of the NWs were broken off at the roots.Next,the evenly spaced electrode pattern over the aligned NWs was first defined using photolithography and thenfollowed by sputtering 300nm thick Au film (Figure 1d).After lifting off the photoresist,600rows of stripe-shaped Au electrodes with 10µm spacing were fabricated on top of the horizontal NW arrays (Figure 1e).Au electrodes form Schottky contacts with the ZnO NWs,which are mandatory for a working NG.8,18Approximately 3.0×105NWs in an effective working area of 1cm 2,as pointed by an arrowhead in Figure 1d (inset),are in contact with electrodes at both ends.Finally,a PDMS packaging over the entire structure can further enhance mechanical robustness and protect the device from invasive chemicals.The working principle of the HONG is illustrated by the schematic diagrams in Figure 2a,b.NWs connected in parallel collectively contribute to the current output;NWs in different rows connected in serial constructively improve the voltage output.The same growth direction of all NWs and the sweeping printing method ensure that the crystal-lographic orientations of the horizontal NWs are aligned along the sweeping direction.Consequently,the polarity ofFIGURE 1.Fabrication process and structure characterization of the HONG.(a)Experimental setup for transferring vertically grown ZnO NWs to a flexible substrate to make horizontally aligned ZnO NW arrays with crystallographic alignment.(b)SEM image of as-grown vertically aligned ZnO NWs by physical vapor method on Si substrate.(c)SEM image of the as-transferred horizontal ZnO NWs on a flexible substrate.(d)Process of fabricating Au electrodes on horizontal ZnO NW arrays,which includes photolithography,metallization,and lift-off.(e)SEM image of ZnO NW arrays bonded by Au electrodes.Inset:demonstration of an as-fabricated HONG.The arrowhead indicates the effective working area of theHONG.the induced piezopotential is also aligned,leading to a macroscopic potential contributed constructively by all of the NWs (Figure 2b).To investigate the performance of the HONG,a linear motor was used to periodically deform the HONG in a cyclic stretching-releasing agitation (0.33Hz).The open-circuit voltage (V oc )and the short-circuit current (I sc )were measured with caution to rule out possible artifacts.19At a strain of 0.1%and strain rate of 5%s -1,peak voltage and current reached up to 2.03V and 107nA,respectively.Assuming that all of the integrated NWs actively contribute to the output,the current generated by a single NW is averaged to be ∼200pA;and the voltage from each row is ∼3.3mV in average.Considering the size of the working area of the nanogenerator (1cm 2)(Figure 1e,inset),a peak output power density of ∼0.22µW/cm 2has been achieved,which is over 20-fold increase compared to our latest report based on a more complex design.14For nanowires with the diameter of ∼200nm,the power volume density is ∼11mW/cm 3,which is 12-22times of that from PZT based cantilever energy harvester.6,7The durability test and further characterization were performed,which prove the stability and robustness of the HONGs (Supporting Information Figure S3).Voltage linear superposition test verified the proposed working principle of the HONGs (Supporting In-formation Figure S4).Further scaling up the power output is expected to be technically feasible.If NWs can be uniformly and densely packed as a monolayer over the entire working area,and all can actively contribute to the output,the maximum power area density is expected to reach ∼22µW/cm 2.The power volume density is anticipated to be improved up to ∼1.1W/cm 3.With 20layers of such NW arrays stacked together,the power area density would be boosted up to ∼0.44mW/cm 2.The performance of the HONG is affected by strain and strain rate.For a given strain rate (5%s -1),an increase in strain leads to a larger output (Figure 3a,b).Likewise,at a constant strain (0.1%),the output is proportional to the strain rate (Figure 3c,d).Beyond a certain strain and strain rate,saturation of the magnitude occurs,probably due to the converse piezoelectric effect,which is the strain created by the piezopotential and it is opposite to the externally induced strain.It is noticed that 0.1%strain is sufficient to induce effective output,which is much smaller than the 6%fracture strain of the ZnO NW predicted theoretically.20Storing the generated energy and driving functional devices are extremely important steps toward practical applications of the nanogenerator.In this work,they were accomplished by using a charging-discharging circuit with two consecutive steps (Figure 4).The circuit function is determined by the status of a switch (Figure 4a inset).TheFIGURE 2.Working principle and output measurement of the HONG.(a)Schematic diagram of HONG’s structure without mechanical deformation,in which gold is used to form Schottky contacts with the ZnO NW arrays.(b)Demonstration of the output scaling-up when mechanical deformation is induced,where the “(”signs indicate the polarity of the local piezoelectric potential created in the NWs.(c)Open circuit voltage measurement of the HONG.(d)Short circuit current measurement of the HONG.The measurement is performed at a strain of 0.1%and strain rate of 5%s -1with the deformation frequency of 0.33Hz.The insets are the enlarged view of the boxed area for one cycle ofdeformation.switch is at position A for energy storage achieved by charging capacitors.Upon charging completion,the switch is switched to position B for energy releasing to power a functional device,such as a light emitting diode.It is the key for a successful and effect energy storage to take full advantage of the alternating output.As a result,an integrated full wave rectifying bridge (Transys Electronics Limited,DI 102)was connected between a HONG andFIGURE 3.Performance characterization of the HONG with increasing strain and strain rate.(a)Open circuit voltage measurement of the HONG with increasing strain at a given strain rate of 5%s -1.(b)Short circuit current measurement of the HONG with increasing strain at a given strain rate of 5%s -1.(c)Open circuit voltage measurement of the HONG with increasing strain rate at a constant strain of 0.1%.(d)Short circuit current measurement of the HONG with increasing strain rate at a constant strain of 0.1%.For all measurements,the mechanical deformation frequency is fixed at 0.33Hz.FIGURE 4.Application of the electric energy generated by the HONG to drive a commercial light emitting diode.(a)The electric output measured after a full wave rectifying bridge.Signals of negative signs are reversed,as pointed by the arrowhead.Inset:Schematic of the charging-discharging circuit for storing and releasing the energy generated by the HONG,respectively.(b)Image of a commercial LED,which is incorporated into the circuit.(c)Image of the LED in dim background before it was lit up.(d)Image of the LED in dim background at the moment when it was lit up by the energy generated from theHONG.capacitors(Vishay Sprague,Type430P,2µF(10%).The output of the HONG measured after the bridge exhibits only positive signals(Figure4a).Full wave rectification achieved by the bridge ensures energy storage at an enhanced ef-ficiency,although the rectified signal(as pointed by an arrowhead in Figure4a)has appreciably reduced magnitude due to the reverse current leakage of the diodes in the bridge; this reducing effect is rather notable at small output current. To facilitate the charging process,the output frequency of the HONG was tuned up to3Hz by reducing the periodicity of the mechanical deformation.Ten capacitors were con-nected in parallel such that they were simultaneously charged, and the voltage across a single capacitorfinally reached0.37 V.Uponfinishing charging,the capacitors were reconfigured from parallel connection to series connection,leading to a total voltage source of3.7V.The stored electricity was used to drive a commercial red LED(Figure4b,Avago Technolo-gies US Inc.,HLMP-1700),which has an emission spectrum centered at635nm.The turn-on voltage and forward-biased resistance are1.7V and450Ω,respectively.The discharg-ing process was triggered,leading to a maximum discharg-ing current of4.5mA and the LED was lit up.The emitted light lasted0.1-0.2s and was clearly captured in dim background(Figure4c,d,video in Supporting Information). During the whole charging-discharging process,no other power sources were involved.The entire circuit is essentially a complete self-powered system,which consists of three components:an energy harvester(the HONG),storage units (capacitors),and a functional device(the LED).An effective energy generation efficiency is defined as the ratio between the energy stored by the capacitors and the strain energy input to all of the active NWs,and it takes into account the performance of the electronic components in the circuit.The total electrical energy stored by the capacitor can be calculated as W stored)CU2n/2)1.37µJ,where C is the capacitance of a single capacitor,U is voltage across the capacitor,and n is the number of capacitors.Since the dominant strain in the ZnO NWs is tensile strain,with shear strain safely neglected,the total strain energy can be esti-mated as W strain)πD2L0Eε2ftn0/8)30µJ,where D is the diameter of the NW(200nm),L0is its original length(10µm),which isfixed by the electrode spacing,E is the Young’s modulus(30GPa),εis the strain of NWs(0.1%),f is the frequency of deformation(3Hz),t is the total charging time (7200s),and n0is the number of integrated NWs (300000).13Therefore,the effective energy generation ef-ficiency is estimated to be∼4.6%.This value is naturally lower than the energy conversion efficiency of a single nano/ microwire(∼7%),which is defined as the ratio between the generated electric energy(W generated)∫VI d t,where V is the voltage,and I is the current)and the mechanical input strain energy.13This is mainly attributed to the energy dissipation on rectifying bridge and capacitors,as elaborated in the Supporting Information.In summary,we have successfully fabricated high-output flexible nanogenerators using a sweeping-printing method. We managed to transfer vertically grown ZnO NWs to a flexible substrate and achieved horizontally aligned NW arrays that have crystallographic alignment,based on which an innovatively designed HONG was fabricated.The electri-cal output of the HONG reached a peak voltage of2.03V and current of107nA with a peak power density of∼11 mW/cm3,which is12-22times of that from PZT-based cantilever energy harvester.An effective energy generation efficiency of4.6%was demonstrated.The electric energy generated by the HONG was effectively stored by capacitors and used to light up a commercial LED.Furthermore,by optimizing the density of the NWs on the substrate and with the use of multilayer integration,a peak output power density of∼0.44mW/cm2and volume density of1.1W/c m3 are redicted.This is a key step that is likely to bring nanogenerator based self-powering technology into people’s daily life with potential applications in mobile electronics, health monitoring,environmental inspection,cargo shipping tracking system,infrastructure monitoring,and even de-fense technology.Acknowledgment.Research supported by NSF(DMS 0706436,CMMI0403671,ENG/CMMI112024),DARPA (Army/AMCOM/REDSTONE AR),BES DOE(DE-FG02-07ER46394),and DARPA/ARO W911NF-08-1-0249.The authors thank Cheng Li and Benjamin Hansen for their help on thinfilm deposition and electric circuit design,respectively. Supporting Information Available.Experimental setup, additionalfigures,and video.This material is available free of charge via the Internet at . 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