柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用

刘盛意，李金玉，黄志宇

（大连东软信息学院，辽宁大连 116000）

柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用

刘盛意，李金玉，黄志宇

（大连东软信息学院，辽宁大连 116000）

利用当前技术可以完成柔性复合压电纳米发电机的制备。具体工艺技术是利用气相法或者低温水溶液法在柔性PET衬底上生长一维氧化锌纳米结构，同时使用XRD、SEM等技术对晶体结构的表面进行表征和分析。目前，柔性复合压电纳米发电机在纳米级电子元器件方面具有重要应用。基于此，重点对柔性复合压电纳米发电机的性能优化和应用进行分析。

柔性；复合压电纳米发电机；氧化锌；性能优化；应用

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[1]。通过进一步研究发现，影响氧化锌压电纳米发电机输出性能的主要因素体现在以下几个方面：第一，氧化锌中自由载流子的浓度过大；第二，器件受到外界影响较大，当外界条件发生变化时，有较多的氧化锌纳米棒不能被充分利用，导致发电效率较低。而这一现象与器件上接触电极的材质、表面特征以及氧化锌纳米阵列的取向性有着密切的关系。

1 压电纳米发电机

1.1 技术原理

当接地的导电原子力探针与氧化锌纳米线接触时，会在接触面形成肖特基结。探针针尖与氧化锌纳米线的拉伸面接触时，拉伸面的电势为正，电子经过电路从底电极流向探针，肖特基结处于反向偏置状态。由于无法流入纳米线，电子将在界面处堆积。扫动探针的过程较慢，因此电子堆积的速度比较慢，初期产生的信号较小不能被检测到。探针再与压缩面接触时，氧化锌纳米线压缩面的电势为负，肖特基处于正向偏置状态，电子从氧化锌纳米线流向探针针尖，此时压电电荷被中和，这个过程非常快，能够产生检测得到的压电信号，从而完成机械能到电能的转换过程[2]。

1.2 材料设计

作为压电纳米发电机的功能核心，压电材料本身的质量情况会对纳米发电机发电性能产生重要影响。压电材料中，最重要的几个影响因素体现在以下几个方面：结晶质量、尺寸、形貌以及介电性质等。通过对比发现，气相法生长的氧化锌在性能上优于水热法。通过研究发现，使用气相法生长的氧化锌的电子态密度更低；在结晶质量方面缺陷更少；由于气相法是在高温环境下生长制备氧化锌纳米线，表面特征较好，可以有效抑制压电电势的屏蔽作用。

材料尺寸也是影响压电材料性能的重要方面。材料的力学性能会随着材料尺寸的下降发生显著变化。通过研究发现，成弯曲状态的PZT纳米带介电性能能够得到明显提高。通过分析发现造成这一结果的原因可能是铁矿晶体中的电畴在应力梯度的影响下发生了重新排列；还有可能是柔性电子学对压电性能起到一定的增强作用。

通过对以上两个方面的考虑，提高发电机的性能主要应该对载流子屏蔽作用进行抑制。具体的屏蔽方式有两个方面：第一，在压电半导体与金属之间形成足够大的势垒，从而阻断载流子通过；第二，降低压电半导体中的载流子浓度。

1.3 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，使输出电压成倍增加。具体方式需要在柔性基底上制备平行电极阵列，通过控制生长条件在电极一端沿平行于基底方向生长，大大提高了输出电压。阵列结构本身就是压电纳米发电机的经典结构，并且这种结构具有较好的稳定性。

2 ZnO纳米发电机

2.1 ZnO纳米棒的制备

柔性复合压电纳米发电机的制备需要选择低温水热柔性PET-ITO作为衬底，在制备之前需要对衬底进行一定的处理，具体步骤应该按照甲苯、丙酮、乙醇溶液、去离子的步骤一次对衬底进行清洗。接下来利用磁控溅射法在衬底上堆积一层氧化锌籽晶层。并将准备好的乙酸锌溶液和六亚甲基四胺的混合溶液作用于籽晶层，生长出氧化锌纳米棒阵列结构。通过对生长过程的观察，生长结束后，使用去离子水反复冲洗，并进行烘干处理，以备用。

2.2 ZnO纳米发电机的制备

通常情况下纳米发电机的制备方式有两种：①首先需要使用真空镀膜机在一块柔性衬底上蒸镀一层金膜，并将其作为电极，倒置于氧化锌纳米阵列的正上方，上部电极与纳米棒的顶端接触，形成一个三层结构，并使用环氧树脂材料完成封装[3]。②同样适用镀膜机在另一块柔性衬底上蒸镀一层金膜，将镀有金膜的纳米阵列作为上电极，同样倒置于氧化锌纳米阵列上方，并使用环氧树脂进行封装。这样就会形成两种不同的纳米压电发电器件。两种器件的结构示意图如图1所示。

图1 纳米发电机结构示意图

2.3 发电机的性能与表征

对于氧化锌纳米棒的形貌表征需要利用高分辨场发射扫描电镜进行表征与分析，同时对材料的晶体结构进行观察，并做好有关的性能测试工作。图2中展示的分别是氧化锌纳米阵列的顶视图和俯视图。从图2中可以发现，氧化锌纳米棒比较均匀细致的分布在柔性衬底面上，并且呈现出较好的取向性。

3 柔性复合压电纳米发电机的应用

当前，柔性复合压电纳米发电机在微纳电子行业中已经体现出一定地应用性。但最重要的应用是在动感传感方面的应用，通过实验分析，将发电机紧密贴于书页上，在书页进行正向翻动时，会产生一个正的电流峰值和负的电流峰值。因此在整个翻阅书页的过程中就产生了一定的电流信号。这种应用可以用于小型元器件和设备的机械能向电能的转化过程。电机的翻阅过程产生一定的信号，无需外界电源给出信号。

图2 纳米阵列顶视图和俯视图

4 结束语

综上所述，通过对压电纳米发电机的介绍，重点分析了其工作原理以及材料方面和结构方面的性能优化措施，对于改善柔性复合压电纳米发电机的当前技术具有一定的积极作用。就应用而言，随着驱动信号的加强，柔性纳米发电机将会在可穿戴纳米器件、生物传感器和自供能纳米器件领域发挥重要优势。

[1] 郭彤，王强.可穿戴摩擦纳米发电机的研究现状与趋势[J].科技展望，2017，（13）.

[2] 陈志敏，荣训，曹广忠.纳米发电机的研究现状及发展趋势[J].微纳电子技术，2016，（1）.

[3] Mary.纳米能源所旋转式直流摩擦纳米发电机研制成功[J].今日电子，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

吴鹏（1988—），男，重庆人，工程师，主要从事煤层气田开发相关工作。

收稿日期：2017-10-16

作者简介：张文峰（1969—），男，河南濮阳人，工程师，主要从事采油管理的工作。

收稿日期：2017-08-27

作者简介：刘盛意（1996—），男，河北唐山人，本科在读，主要研究方向为微电子科学与工程。