PDF《压电式纳米发电机的原理和潜在应用》

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期! 0- 12-

23 压电式纳米发电机的原理和潜在应用 王! 中! 林4 (佐治亚理工学院材料和工程系! 亚特兰大 佐治亚州! % $

5 %$6#! 美国) (北京大学工学院先进材料与纳米技术系! 北京! '

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) (国家纳米科学中心! 北京! '

%%%7%) 摘! 要! ! 纤锌矿结构氧化锌纳米线具有半导体性能和压电效应- 用导电的原子力显微镜探针针尖去弯曲竖直生长 的氧化锌纳米线, 在纳米线的内部和外部分别造成压缩和拉伸, 这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生反 极性的极化电荷, 借助半导体性质的氧化锌纳米线和其金属尖部的肖特基势垒将电能暂时储存在氧化锌纳米线内, 并可用导电的原子力显微镜探针接通这一电源, 向外界输电, 从而完美地实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能- 该纳米发电机的发电效率可以达到 '

89 ― %9 , 此项重要的科学发现将为自发电式纳米器件奠定物理基础- 文章介 绍了它的工作原理和潜在应用- 关键词! ! :3;

纳米线, 压电效应, 纳米发电机, 自发电 ―

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3 到达最大值的峰可能就由于针 尖扫描 缓慢 而丢失, 所以 >

只表示一个被截了 的尖 (图$(2) 中的箭头记号) - 尖峰可以在纳米线 位置处和针尖每次扫描得到的纳米线输出电压处被 连续识别- 当针尖开始挤压纳米线时, 没有观察到电 压输出 (图$(I) ) ;

当纳米线的偏转量接近最大值 时检测到 >

- 纳米线被 7=: 针尖释放后, >

降到 %, 表明在 7=: 扫描纳米线将要结束时能检测到压 电输出- 通过增大针尖扫描频率和减小扫描范围, 我们 可以进一步完善和分析放电峰值的形状- 图$(J) 表 示针尖以 '

$- A@ BD H 的扫描速度扫过单根纳米线 时的 >

线轮廓图- 半峰值电压时的总宽度预计约为 %- &

BH- 电压峰值的衰减行为可通过一个等价的回 路来定量描述 (图$(J) ) - 纳米线可被近似地看作 一个电阻 !? 和一个电容 # (包括系统的贡献) - 通过 电阻 !>

的输出电压 >

(注意电压的极性) 的寿命为 ! K (!>

L !? ) #- 在我们设计的实验中, 纳米线的电 阻!? 与!>

相比可忽略- 所以纳米线和系统的等价 电容为 在相同或相似的实验条件下, 在435 纳米线中 观察到的尖锐电压输出, 在金属薄膜、 阵列碳纳米管 或阵列 M5 纳米线中都未观察到- 这些数据否定了 >

的响应信号来自摩擦或接触电压的可能性- 这个过程产生电能的效率可以计算如下: 在一 次压电放电的过程中, 一根纳米线的输出电能为 #%N4O K $ % # D $, % 是放电输出的峰值电压- 为了分 析计算简便, 我们将纳米线近似看作二维物体- 由7=: 针尖挤压纳米线产生的弹性形变能量为 %9>

O K &

'

($ ) $ $* , &

是弹性模量, '

是运动惯量, * 是纳 米线的长度- %9>

O 主要以以下三种方式消耗: ('

) 纳 米线释放后的机械共振 (图$(P) ) ;

($) 每个振动周 期的压电放电 (#%N4O ) ;

( ) 与环境介质的摩擦D 粘性- 纳米线的机械共振持续很多周期, 但最终由于介 质的粘性而衰减- 每个振动周期都产生 #%N4O , 但在 当前的实验设计中, 7=: 针尖只能捕获第一个振动 周期产生的能量- 考虑纳米线在第一个振动周期内 消耗的能量 #%9>

O , 机械能转化为电能的效率为 #%N4O D #%9>

O , 所以得到在一个共振周期中的效率 为'

QF ― %F - 高转换效率可能取决于纳米线能产 生的极大的形变- 产生压电放电能量的物理原理来自

435 的压电 性质和半导体属性的耦合- 一根垂直的直立435纳・!! ・特约专稿 ! #: 物理 图.- 在接触模式中观察到的 /,0 纳米线阵列的电机耦合放电过程 [1] (*) 纳米线的表面形貌图像;

(2) 相应的输出电压图像&

(放电过 程非常迅速, 以致于每个放电过程只能以一对数据点为特征, 所以很难用彩色显示数据) ;

(+)

345 针尖沿垂直的纳米线每隔 16), 扫 描一次得到的一系列电压输出信号的线剖面图&

数据显示了纳米线部位的电信号以及在一段时间内这种信号的可重复性&

有颜色的数 字代表一系列扫描所需的输出量&

由(*) 到(+) 中, 针尖的扫描速度是 1.&

781!69 :, 用于获得和输出每个扫描点的时间是 .6:;

(;

)中 红色曲线为单根纳米线偏转值曲线, 蓝色曲线为输出电压曲线&

电压输出的峰值与纳米线最大偏转值大体对应, 表明当针尖接触纳米 线被压缩端时发生放电&

当针尖接触纳米线, 压电效应产生的电荷开始积累, 此时没有发生放电现象&

当纳米线偏转接近最大值 !6 时, 发生放电现象.注意横向的偏转量 ! 包括针尖和接触点的几何形状贡献值, 为了得到纳米线真实的偏转量, 该贡献值应被减去;

(? !69 : 的速度沿一根垂直的纳米线扫描时得到的电压输出信号的轮廓线图&

用于获得和输出每个扫描点的时间是 7&

7@6:, 这可通过采用

345 的最大扫描频率来实现&

图中插入的部分是一个用于模拟放电过程测量的等价回路&

(A) 被345 针尖释放 后纳米线的共振, 表明在产生压电放电过程后储存的弹性势能大部分都转变成振动能 米线 (图=(*) ) 被345 针尖挤压产生一个应变场, 外 表面被拉伸 (正的应力 !) , 内表面被压缩 (负应力 !) (图=(2) ) &

由于压电效应在纳米线内部沿 方向产 生一个电场 #B , #B C !B

9 $, $ 为沿 /,0 纳米线方向上 ・ ! ! ・ 特约专稿 ! # 卷($%%&

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期! 0- 12-

23 的压电系数 ['

] , 通常是正向 ! 轴方向,

43 原子层作为 最上层 ['

5] - 压电场方向在外表面与在轴 (纳米线方 向) 几乎平行, 在内表面与在轴反平行 (图 (2) ) - 在 一级近似下, 沿着纳米线尖端的宽度, 从压缩到拉伸 的侧表面的电势分布在

6 7 到

6 8 之间- 纳米线底部 的电极接地- 注意

6 7 和

6 8 是由压电效应产生的电 压- 电势是由 43$

8 和9$

7 的相对转移产生的, 是纤维 锌矿晶体结构中压电效应的结果, 因此如果不释放应 力的话, 这些离子电荷不能自由移动, 也不能重组 (图 (:) ) - 只要有形变, 并且没有外部自由电荷 (例如金 属接触点) 的进入, 电势差就将保持- 纳米线底部和顶端的接触是不对称的, 底部的 接触是

439 薄膜与银层的接触, 所以有效的接触是

439 和;

<

之间的接触-

439 的电子亲和能 (#1 ) 是5- #=>

['

#] , ;

<

的功函数 (!) 是5- $=>

, 所以在界面 处无势垒, 即439?;

<

的接触是欧姆型- 在纳米线的 尖端, @) 的!A&

- '

=>

, @)

7 439 的接触是肖特基 结['

&

, '

B] , 并在整个传输过程中占主要地位- 由于半 导体

439 纳米线被压缩的侧面为负压 (

6 7 ) , 被拉 伸的侧面为正压 (

6 8 ) , 所以穿过肖特基结有两个 截然不同的传输过程发生- 现在我们来考虑在

439 纳米线顶端发生的情 况- 第一步, 使纳米线产生形变的 ;

CD 传导针尖与 被拉伸的表面接触, 产生正压

6 8 (图$(:) 和(=) ) - @) 金属针尖的电势几乎为 %, E A %, ! A E

7

6 8 F %, 所以金属针尖和

439 表面发生负偏转- 由于非 合成的

439 纳米线可看作

3 型半导体, 所以 @) 金属 和439 半导体 (D

7 G) 表面在此可看作是一个偏压 的肖特基二极管 ( 图 (=) ) 和沿表面的很小的电 流- 第二步, 当针尖压缩纳米线时 (图 (H) ) , 金属针 尖和

439 表面由于 ! A I A E

7

6 7 J % 而产生正 偏转, 此时 D

7 G 表面是一个正偏的肖特基二极管, 同时使输出电流突然升高- 电流是在 ! 驱使下, 从 半导体

439 纳米线到金属针尖的电子的流动产生- 通过纳米线到针尖的回路中, 自由电子的流动能中 和分布在大量纳米线中的离子电荷, 所以能降低

6 7 和

6 8 的数量级- 因此, I 开始减小, 并在纳米 线中所有离子电荷被中和的时候变为 %- 这种机理 解释了为什么在图 $ (=) 中的放电曲线几乎是对称 的- 根据模型, 放电过程发生在纳米线被压弯........