氧化锌压电纳米发电机的频域特性仿真

解潇潇,刘卫国,周 顺,林大斌,孟 潇

(西安工业大学 光电工程学院 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西 西安 710021)

随着人类环境保护意识增强,绿色资源引发大量关注[1-3],如何将机械能等可再生能源转化为电能成为研究热点[4-6]。压电材料具有压电效应,其正压电效应可以直接将机械能转化为电能,因此备受关注[7-10]。在众多压电材料中,氧化锌(ZnO)因具有良好的半导体特性、压电耦合特性[11]以及易于加工处理等优点脱颖而出,被应用于新型能源研究领域,促进了纳米发电机领域的蓬勃发展[12-15]。

2006 年王中林等[16]制备出第一代ZnO 纳米阵列发电机,将环境中未被开发利用的机械能转换成具有实际利用价值的电能,相应的压电电子学已然成为新的研究热点。为了提高ZnO 纳米发电机的输出性能,多个课题组对ZnO 纳米线的电学特性进行了研究。Sun 等[17]基于Lippman 理论对ZnO 纳米线的静态最大输出电压进行了计算;Gao 等[18]对c轴取向生长的无掺杂ZnO 纳米线在进行拉伸、压缩、扭转时,纳米线中压电电势对纳米线场效应晶体管输运特性的影响进行了分析;Han 等[19]利用垂直排列的单根ZnO 纳米线制备了应变门控压电晶体管,对受到不同压力大小的ZnO 纳米线压电电势进行有限元分析计算。

直立式纳米线作为基础的纳米结构单元[20-21],其良好的压电性能是提高纳米发电机输出特性的关键。本研究建立了基于ZnO 纳米线实际形貌的仿真模型:平顶圆柱纳米线模型和圆顶圆柱纳米线模型……