柔性復合壓電納米發電機的性能優化與應用

劉盛意，李金玉，黃志宇

（大連東軟信息學院，遼寧大連 116000）

柔性復合壓電納米發電機的性能優化與應用

劉盛意，李金玉，黃志宇

（大連東軟信息學院，遼寧大連 116000）

利用當前技術可以完成柔性復合壓電納米發電機的制備。具體工藝技術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構，同時使用XRD、SEM等技術對晶體結構的表面進行表征和分析。目前，柔性復合壓電納米發電機在納米級電子元器件方面具有重要應用?；诖?，重點對柔性復合壓電納米發電機的性能優化和應用進行分析。

柔性；復合壓電納米發電機；氧化鋅；性能優化；應用

隨著電子技術的不斷發展，微電子元器件的集成度越來越高，這也促進了新型微納電源系統技術的開發，新型微納電源系統技術的發展也必然會為微型電源的發展提供強有力的技術支持。經過研發技術的不斷深入，當前已經制備出多種多樣的氧化鋅納米發電機。但當前氧化鋅納米發電機存在一定的問題，主要體現在輸出信號普遍較小，而且輸出功率較低，這兩個缺點導致氧化鋅納米發電機在應用方面受到嚴重的限制[1]。通過進一步研究發現，影響氧化鋅壓電納米發電機輸出性能的主要因素體現在以下幾個方面：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，當外界條件發生變化時，有較多的氧化鋅納米棒不能被充分利用，導致發電效率較低。而這一現象與器件上接觸電極的材質、表面特征以及氧化鋅納米陣列的取向性有著密切的關系。

1 壓電納米發電機

1.1 技術原理

當接地的導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。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，電子經過電路從底電極流向探針，肖特基結處于反向偏置狀態。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，肖特基處于正向偏置狀態，電子從氧化鋅納米線流向探針針尖，此時壓電電荷被中和，這個過程非常快，能夠產生檢測得到的壓電信號，從而完成機械能到電能的轉換過程[2]。

1.2 材料設計

作為壓電納米發電機的功能核心，壓電材料本身的質量情況會對納米發電機發電性能產生重要影響。壓電材料中，最重要的幾個影響因素體現在以下幾個方面：結晶質量、尺寸、形貌以及介電性質等。通過對比發現，氣相法生長的氧化鋅在性能上優于水熱法。通過研究發現，使用氣相法生長的氧化鋅的電子態密度更低；在結晶質量方面缺陷更少；由于氣相法是在高溫環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。材料的力學性能會隨著材料尺寸的下降發生顯著變化。通過研究發現，成彎曲狀態的PZT納米帶介電性能能夠得到明顯提高。通過分析發現造成這一結果的原因可能是鐵礦晶體中的電疇在應力梯度的影響下發生了重新排列；還有可能是柔性電子學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，提高發電機的性能主要應該對載流子屏蔽作用進行抑制。具體的屏蔽方式有兩個方面：第一，在壓電半導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，降低壓電半導體中的載流子濃度。

1.3 結構設計

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換成電能的過程，但并不能形成獨立的微納器件。為進一步改善當前柔性復合壓電納米發電機的性能優化與應用，需要對其結構設計進行優化。通過研究發現，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，實現了直流發電的效果。

為了提高集成度，為今后微電子技術的發展取得基礎，開始在納米發電機中采用橫臥的納米線結構。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生拉伸或者壓縮。研究發現，應變速率對發電機的輸出特性有重要影響，應變速率越快，產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換成多根橫臥的微納線并聯結構，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。陣列結構本身就是壓電納米發電機的經典結構，并且這種結構具有較好的穩定性。

2 ZnO納米發電機

2.1 ZnO納米棒的制備

柔性復合壓電納米發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行一定的處理，具體步驟應該按照甲苯、丙酮、乙醇溶液、去離子的步驟一次對襯底進行清洗。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構。通過對生長過程的觀察，生長結束后，使用去離子水反復沖洗，并進行烘干處理，以備用。

2.2 ZnO納米發電機的制備

通常情況下納米發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，形成一個三層結構，并使用環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，并使用環氧樹脂進行封裝。這樣就會形成兩種不同的納米壓電發電器件。兩種器件的結構示意圖如圖1所示。

圖1 納米發電機結構示意圖

2.3 發電機的性能與表征

對于氧化鋅納米棒的形貌表征需要利用高分辨場發射掃描電鏡進行表征與分析，同時對材料的晶體結構進行觀察，并做好有關的性能測試工作。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中可以發現，氧化鋅納米棒比較均勻細致的分布在柔性襯底面上，并且呈現出較好的取向性。

3 柔性復合壓電納米發電機的應用

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

圖2 納米陣列頂視圖和俯視圖

4 結束語

綜上所述，通過對壓電納米發電機的介紹，重點分析了其工作原理以及材料方面和結構方面的性能優化措施，對于改善柔性復合壓電納米發電機的當前技術具有一定的積極作用。就應用而言，隨著驅動信號的加強，柔性納米發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域發揮重要優勢。

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

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

[3] Mary.納米能源所旋轉式直流摩擦納米發電機研制成功[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相關工作。

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與工程。