压电式纳米发电机
压电式纳米发电机的原理和潜在应用
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特约专稿 感器都需要电源， 一般来说， 这些传感器的电源都是 直接或者间接来源于电池& 如果这些传感器能从生 物体内自己给自己提供电源， 从而实现器件和电源 的同时小型化， 这是科学家们一直所梦寐以求的& 因 此， 开发出能将运动、 振动、 流体等自然存在的机械 能转化为电能从而实现无需外接电源的纳米器件的 新型纳米技术具有极其重要的意义& 这一技术在大 大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率， 在集 成纳米系统的微型化方面将产生深远的影响& 最近， 我们利用竖直结构的氧化锌纳米线的独 特性质， 成功地在纳米尺度下将机械能转化成电能， 在世界上首次研制成功纳米发电机& 这一重大发现 .//0 年 1 月 23 开启了纳米科学和技术的新篇章， 日出版 的 美 国 4+)5,+5 周 刊 对 此 进 行 了 长 篇 的 报 道
［ 1］ ［ :］ ［ 0］ 类最 多， 如纳米线 、 纳米带 、 纳米条 、 纳米
环
［ 6］
、 纳米弓形结构
［ ;］
、 纳米螺旋结构
［ <］
等& 尽管大
量的研究已经证明纳米线及纳米器件、 纳米带有很 多应用， 但目前很少有人研究这些纳米体系对能量 的需求& 氧化锌纳米线之所以能完成机械能到电能的高 效转变， 与其同时具有半导体以及压电特性密切相 关& 常规的压电材料， 如 =8> 等， 通常为绝缘体& 尽 管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化， 但由于它 们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势
压电式纳米发电机课件
环境适应性测试
01
Temperature stability
Evaluate the performance of the piezoelectric nanogenerator
under different temperatures to assess its thermal stability.
组装技术
表面组装技术
将电子元件通过焊料等粘 合剂直接粘贴到电路板表 面。
芯片级封装技术
将微电子器件与电路板集 成在一起，形成一个完整 的电子系统。
倒装焊技术
通过焊料凸点实现电子元 件与电路板的连接。
压电式纳米发电机的性能测 试与表征
电学性能测试
输出电压
测量 the maximum output voltage generated by the piezoelectric nanogenerator under different frequencies and amplitudes of vibration.
监控和智能管理。
应用前景展望
环境监测领域
由于其高效的能量转换和灵敏的 响应特性，压电式纳米发电机有 望在环境监测领域中发挥重要作 用，如用于空气质量监测、声音 振动检测等。
生物医疗领域
压电式纳米发电机在生物医疗领 域中也具有广泛的应用前景，如 用于生物电信号的采集、微小力 量检测等。
智能传感领域
由于其高灵敏度和低能耗的特点， 压电式纳米发电机有望在智能传 感领域中发挥重要作用，如用于 智能穿戴设备、物联网传感器等。
输出电流
Determine the maximum output current generated by the piezoelectric nanogenerator and investigate its dependence on frequency and amplitude of vibration.
压电式纳米发电机
1、新型半导体压电材料，具有比较简单的化学成分与晶体结构，容易控制其纯 度、尺寸、形貌。 2、极大的纵横比，使纳米线在很小的作用力下弯曲而产生电势差。 这两点为大功率的纳米发电机的开发提供物质与理论基础。
四、现状及前景展望
1、发展过程：
目前有许多研究人员致力于纳米发电机的研究，主要以美国佐 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和 他的研究小组为主。他们小组分别于 2005年开始研究如何用纳米结构来把机械能转换为电能。 2006年发明了世界上最小的发电装置——直立式纳米发电机。 2007年成功研发出由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电 机。在纳米材料领域具有里程碑的作用。 2008年研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发 电机，即纤维纳米发电机。真正实现了“只要能动，就能发 电”。 2010发明了封装型交流纳米发电机，有效克服了直立式发电机 的设计缺陷。
二、组成和原理
1、组成
从上到下依次由驱动电极（肖特基势垒）、ZnO纳米线 、固定基底组成。
肖特基势垒：金属-半导体边界上 形成的具有整流作用的区域。
ZnO纳米线：氧化锌纳米线容易 被弯曲，从而在纳米线内部外部 分别造成压缩和拉伸。竖直生长 的氧化锌是纤锌矿结构，具有优 良的半导体性能和压电效应。
2、原理
在直立式发电机中，氧化锌纳米线 一端固定，并与一个固定电极相连。 而当氧化锌线自由端在驱动电极的 作用下受力变形时，纳米线一侧受 压缩而另一侧被拉伸。由于氧化锌 同时具有半导体和压电性质，这就 使得纳米线拉伸和压缩的两个相对 侧面分别产生正、负压电电势，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，通过肖特基势 垒整流后，向外界输电。
压电纳米发电机的功能化应用
压电纳米发电机的功能化应用作者：张光杰来源：《新材料产业》2016年第05期现代生活不断向智能化发展，作为人类社会信息化发展的最新成果，智能家居、无人驾驶、虚拟现实等一大批新科技相继涌现。
这些技术使互联网不再局限于在电脑、手机等传统智能设备上实现互联互通，其应用对象可以延伸到任何物与物之间，逐渐形成覆盖整个人类生活的物联网。
如此庞大物联网的形成，无疑需要密集的电子器件来完成信息传感、传输、处理等工作，而如何对这些电子器件持续稳定供电是必须解决的重要问题。
传统的线路供电在解决这个问题上存在很大障碍，因为自然状态下的物与物之间不存在可见的线路连接，因此为这些物体上的电子器件逐个进行线路供电是不切实际的。
另一种方法是电池供电，通过为各个电子器件配备储电装置来实现器件的独立工作。
然而，电池供电的不足也非常明显，即电池会耗尽，在电子器件分布密集化、远程化甚至植入化的情况下，对每个电池进行充电将是非常繁复的工作；其次，电子器件正向微型化、轻量化的方向发展，而电池要想尽可能延长电量寿命，就不可避免地增大其结构尺寸及质量，这和整个系统的微型化、轻量化要求是背道而驰的。
因此，寻找更为合适的供电途径极为关键。
一、压电纳米发电机与自驱动电子器件概述2006年，佐治亚理工学院的王中林教授首次提出了基于氧化锌（ZnO）纳米材料的压电纳米发电机[1]。
这种纳米发电机利用单晶ZnO纳米线，其原理如图1所示。
当纳米线受到外界微弱的机械作用而发生形变时，由于ZnO具有压电性质，在纳米线的上下两端会产生压电电势，进而通过外电路产生脉冲电流输出，实现机械能到电能的转换。
之后，各种利用纳米压电材料实现机电转换的纳米发电机开始被大量研究，除了ZnO、氮化镓（GaN）等半导体压电材料，还有纳米结构的压电陶瓷如锆钛酸铅（PZT）、压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）等，都被相继用来构建纳米发电机，器件输出性能从最初的毫伏电压提高到了百伏电压，完全可以直接驱动小型电子设备。
压电纳米发电机原理
压电纳米发电机原理引言压电纳米发电机作为一种微纳尺度的能量转换装置，通过压电效应将机械能转化为电能。
其特点是结构简单、体积小、灵活可变，被广泛应用于微型传感器、生物医学器械、智能设备等领域。
本文将详细介绍压电纳米发电机的原理及其应用。
二级标题1：压电效应在介绍压电纳米发电机之前，我们首先需要了解压电效应。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，即在晶体或陶瓷的表面产生正负电荷的分布。
这种现象是由晶体内部的结构变形引起的，其原理可以用固体电荷铃铛模型来解释。
二级标题2：压电纳米发电机结构压电纳米发电机的结构通常由压电材料、电极和底座三部分组成。
压电材料是实现能量转换的关键部分，一般采用具有压电效应的材料，如铅锆钛矿(PZT)、锆钛酸铅(PZ)等。
电极是连接压电材料与电路的纽带，用于收集产生的电荷。
底座则用于提供结构支撑和固定压电材料。
二级标题3：工作原理压电纳米发电机的工作原理可以分为两个阶段：压电效应和能量收集。
三级标题1：压电效应过程在外界施加压力的作用下，压电材料分子结构发生畸变，导致正负电荷的重分布。
这种电荷分布差异会生成电场，进而产生电势差。
通过形变效应，机械能被转化为电能。
三级标题2：能量收集过程在能量收集过程中，电极会收集分离产生的电荷，并将其存储在电容器中或直接输出给目标设备。
通过合理设计电极的形状、布局和压电材料的厚度，可以提高能量转换效率。
二级标题4：应用领域压电纳米发电机由于其微型化、高能量转换效率的特点，已被广泛应用于多个领域。
三级标题1：微型传感器压电纳米发电机可以将微小机械振动转化为电能，为微型传感器提供可持续的电源。
这对于一些数据采集、环境监测等领域非常重要。
三级标题2：生物医学器械压电纳米发电机可将机械能转化为电能，为生物医学器械提供能量支持。
例如，可用于植入式医疗设备、智能假肢等。
三级标题3：智能设备压电纳米发电机可以将机械振动、身体热能等转化为电能，为智能设备提供能源。
柔性压电纳米发电机研究进展
柔性压电纳米发电机研究进展作者：张光杰丁一来源：《新材料产业》 2017年第7期压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转换为电能的器件。
在外界机械作用下，压电材料产生的极化电荷和随时间变化的电场可驱动电子在外电路发生流动，进而产生电能。
近年来，柔性电子器件在可穿戴、可植入电子器件等方面得到了广泛应用。
压电纳米发电机需要对复杂机械作用如弯曲、拉伸、扭转等产生响应并输出电能，且适应不同形状的表面以满足可穿戴、可植入等要求。
因此，开发出具备很好的柔性和稳定性的压电纳米发电机至关重要。
目前已有的压电材料中，除了压电聚合物材料如聚偏氟乙烯及其共聚物、聚乳酸等，多数无机压电材料都为硬脆材料。
通过材料和结构设计可以实现柔性的压电纳米发电机，根据材料和结构设计上的不同，可将现有的柔性压电纳米发电机分为2种：一种是利用低维压电材料如纳米线或薄膜等相对较好的应变承受能力，在柔性衬底上构建器件；另一种是将压电材料与柔性聚合物材料进行复合，得到独立的柔性复合压电材料并构建器件。
下面对这2种柔性压电纳米发电机分别进行介绍。
一、依托柔性衬底的压电纳米发电机块体压电材料通常不具备柔性，当压电材料尺寸降低至微米或纳米尺度时，其机械性能和稳定性会明显增强。
例如，氧化锌（ZnO）纳米线可承受 4%～7%的拉伸应变而不损坏，其断裂强度可高达7GPa。
理论和实验均表明，随着ZnO尺寸的下降，其断裂应变和强度均有所提高。
因此，利用低维压电材料如纳米线或薄膜构建压电纳米发电机可实现器件的柔性。
以平面柔性聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯（P E T）、聚苯乙烯（PS）、聚酰亚胺（PI）作为衬底，在表面制备低维压电结构，当柔性衬底弯曲时会引起压电材料内部发生拉伸或压缩应变，从而产生压电电势。
首先，一些采用横卧的纳米线结构的纳米发电机被设计出来，如图 1所示。
Yang等 [1] 通过金属电极将ZnO微纳线固定于柔性基底上，并通过弯曲柔性基底使微纳线拉伸或压缩，产生了20 ～50mV的交流压电输出。
论柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究
论柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用研究发表时间：2018-06-25T16:11:24.160Z 来源：《电力设备》2018年第8期作者：王宁[导读] 摘要：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。
（国网山东省电力公司莱阳市供电公司山东莱阳 265200）摘要：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。
基于此，本文就针对柔性复合压电纳米发电机的性能优化与应用进行研究分析。
关键词：柔性复合；压电纳米；发电机；性能优化；应用研究 1压电纳米发电机的电流输出特性及表征原理分析第一，利用有限元多物理场模拟软件COMSOL对复合压电纳米发电机性能进行模拟。
研巧基体和压电相的杨氏模量、泊松比等力学参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。
研巧压电电荷密度、基体介电常数、压电相介电常数等电学参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。
研究压电相在横向和垂直方向的分布密度、结构单元串并联数目等结构参数对复合压电纳米发电机性能的影响规律。
基于上规律，总结复合压电纳米发电机的优化途径。
第二，从增大压电相压电系数的角度，构建基于饥惨杂ZnO的压电纳米发电机。
利用细菌纤维素天然的网络结构和高度亲水性，采用浸泡－反应两步法在细菌纤维素内部原位合成饥渗杂ZnO，研究反应参数对饥惨杂ZnO／细菌纤维素复合结构的影响。
构建机慘杂ZnO／细菌纤维素复合柔性压电纳米发电机，并探索柔性发电机在自驱动传感器方面的应用。
新型纳米机器
多的梦想将成为现实。也许在不久的将来 ， 我们就能 加速计（ ｃ ｅ ｍ ｔ ） ａ ｅｒ ｅｒ ｃ ｌ ｏ ｅ 和喷墨打印机的喷嘴等 。 如何为
够看到可植人人体 、 不间断监视血糖变化的生物传感 器 ； 自动感 应建 筑 物（ 能 如桥 梁 ） 变 化 的检 测 传感 应力 器和用于监测环境 中各种毒素 的探测器等。 所有这些 仪器都可以从环境 中自动获取能量 ， 而不需要电池供
型的压电式发电机 ， 整个结构类似于跳水选手站在跳 这 些小 尺 度 纳米 器件 有 一 项关 键 优 势 ：能 耗 极 板上的情形。当重力驱使悬臂梁 向下弯曲时 ， 上部压 低， 仅有纳瓦（ 十亿分之一瓦） 到微瓦量级（ 一百万分之 电层受到拉应力 ， 而下部受到压应力 ， 导致悬臂梁 的
少一 部分 ， 足够驱 动多个 纳米 器件 。 也
二、 驱动 微小 系统
于纳米 尺度压 电发 电机 的研究 。 这种 发 电机 的大小在 纳 米量 级 ， 这 一 尺度 下 ， 物 的很 多性 质 都 发 生 了 在 事
任何 电子器件的工作都离不开电。 纳米发电机的 变化。 例如重力 ， 它在宏观世界处于相 当重要的地位 ；
技 术 与 市 场
纳 米 技 术
两
一
、
纳 米 发 电 机
适 的 电源 。
２世 纪９ 年代末 以来 ， 型 电子 器件 得 到 了广 泛 Ｏ ０ 微 为了给纳米尺度（ 十亿分之一米） 的微小器件提供 电能 ， 们开始 设计 体积更 小 的能 量转 换器— — 纳米 应用。在我们的 日常生活 中， 我 经常要用到大小介于微 米 和毫 米之 间的硅基 器件 ， 例如 汽 车安全 气囊 系统 的 发 电机 。随着 电源 的不 断微 型 化 ， 学 技术上 许许 多 科
压电式纳米发电机综述
（a）在氮化 镓基板上生长 的氧化锌纳米 线扫描电子显 微图像 （b）在导电 的原子显微镜 针尖作用下， 纳米线利用压 电效应发电示 意图 （c）在氧化锌纳米线上用探针尖收集到的电信号 （d）单根纳米线上探针尖的移动图像和产生的电信号图像
直立式纳米发电机原理图 电子信息工程学院
产生压电放电能量的物理原理来自氧化锌的压电性质和 半导体属性的耦合，一根垂直的直立氧化锌纳米线被AFM 针尖挤压产生一个应变场，外表面被拉伸，内表面被压 缩。由于压电效应在纳米线内部沿z方向产生一个电场， 压电场方向在外表面与轴几乎平行在内表面与轴反平行， 在一级近似下，沿着纳米线尖端的宽度，从压缩到拉伸 的侧面电势分布在-Vs和+Vs之间
探针与拉伸面接触 电子信息工程学院
然后AFM传导针尖与纳米线被压缩的表面接触(-Vs)，金属 针尖的电势（Vm）几乎为0，△V=Vm-（-Vs）大于零，所 以金属针尖和氧化锌表面发生正偏压，Pt金属和氧化锌半 导体表面在此可以看作是一个正偏的肖特基二极管，同时 输出的电流突然升高 电流是在△V驱动下，从半导体氧化锌纳米线到金属针尖的 电子流动产生的，通过纳米线到针尖回路中，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-Vs 和+Vs的量级，因此,△V开始减小，并在纳米中所有离子电 荷被中和的时候变为0，这就解释了为什么放电曲线是对称 的
压电式纳米发电机
nanogenerator
电子信息工程学院
想象这样一个情景：自动化工业时代之初，全世界的高 级技术工程师和企业家都纷纷开始设计制造客车、公共 汽车、卡车、摩托车以及其他各种可以想到的机动交通 工具，但却没有人首先研制用以驱动他们的发动机
这正是纳米技术产业所面临的问题：在设计和制造纳米 尺度的传感器等器件方面，以及在微机电系统取得长足 进展，却很少有人考虑先研发给这些纳米器件提供能量 的微型功率源——纳米发电机
压电发电机原理
压电发电机原理引言压电发电机是一种能够将机械振动能转化为电能的设备。
它基于压电效应，通过压电材料的特性来产生电荷的分离和累积，从而产生电流。
本文将就压电发电机的原理进行深入探讨。
压电效应压电效应是指某些晶体材料在受到外力时会发生形变，并且该形变会导致电荷的分离。
这种材料被称为压电材料。
压电材料压电材料的分类•无机压电材料–石英–钛酸铋•有机压电材料–聚偏氟乙烯（PVDF）压电发电机的工作原理压电效应根据压电效应，当施加力或压力到压电材料上时，材料会发生形变。
这种形变会使材料中的正负电荷分离出现，从而产生极化。
当外力去除后，材料会恢复到原始状态。
极化和电荷分离由于压电材料的极化现象，正负电荷分离出现。
正电荷聚集在材料的一侧，负电荷聚集在另一侧。
电路连接将压电材料固定在一个电路的一侧，另一侧与导体连接，形成闭合电路。
产生电流当施加力或压力到压电材料的一侧时，材料会发生形变，导致正负电荷的分离。
这种分离的电荷在闭合电路中形成电流，从而产生电能。
压电发电机的应用局部电源压电发电机可以生成小规模的电能，可以用作局部电源。
例如，可以将压电发电机应用于传感器设备中，为传感器供电。
能量回收压电发电机可以将机械能转化为电能。
在一些场景中，可以使用压电发电机将机械振动能转化为电能，从而回收能量。
无线传感器网络无线传感器网络（WSN）中的传感器通常需要用到电池供电。
但是，电池有寿命限制，需要定期更换。
通过使用压电发电机，可以为无线传感器网络提供一种免除更换电池的方法。
总结压电发电机通过利用压电效应将机械振动能转化为电能。
压电材料的极化和电荷分离使得产生了电流。
压电发电机具有局部电源、能量回收和无线传感器网络等应用。
未来，压电发电机在能源领域的应用有望进一步拓展。
参考文献•Lee, J. S., & Zhang, S. L. (2017). Development of a piezoelectric generator for energy harvesting assisted cardiovascular devices.•Li, G., & Xu, W. (2018). A novel energy harvesting device based on the piezoelectric and electromagnetic induction mechanisms.。
压电陶瓷在电声技术中的应用研究
压电陶瓷在电声技术中的应用研究压电陶瓷作为一种常见的材料，广泛应用于电声技术领域。
它具有压电效应，可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能，因此在声音的产生、接收和控制方面都有应用。
本文旨在探讨压电陶瓷在电声技术中的应用研究。
一、压电陶瓷的基本原理压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
压电效应是指当压电陶瓷受到机械应力作用时会产生电荷，即将机械能转化为电能；反之，当压电陶瓷受到电场作用时会产生机械应力，即将电能转化为机械能。
具体来说，压电陶瓷中的晶格结构呈现出不对称性，导致晶格中正负离子间的电荷分布不平衡。
当外加机械应力改变了晶格结构的对称性时，正负离子之间的电荷分布发生变化，从而形成电荷极化现象。
这种电荷极化现象也就是压电效应。
二、压电陶瓷在电声技术中的应用1、压电陶瓷声学传感器压电陶瓷声学传感器是一种将声波信号转化为电信号的设备。
它通过在压电陶瓷片上施加声波，产生的电信号就可以代表来自声波的信息。
这种传感器被广泛应用于汽车行业、航空航天、医疗设备等领域。
2、压电陶瓷扬声器压电陶瓷扬声器是一种利用压电效应将电信号转化为机械振动的设备。
它可以将电信号转化为可听的声音信号。
与传统的电动扬声器相比，它的尺寸更小、重量更轻、功耗更低，因此可以应用于更多场合。
3、压电陶瓷振动器压电陶瓷振动器是一种将电信号转化为机械振动的设备。
它可以实现高精度、高稳定性的振动控制，用于超声波发生器、精密加工设备等领域。
4、压电陶瓷降噪器压电陶瓷降噪器是一种能够抑制噪声的设备。
它通过将压电陶瓷片放置在被测物体表面，利用其压电效应控制传感器的振动，从而抑制噪声。
这种技术被广泛应用于航空航天、机械制造等领域。
三、压电陶瓷在电声技术中的研究进展目前，随着科技的不断进步，人们对压电陶瓷的应用研究也越来越深入。
一些新的技术和应用也在逐步发展：1、压电纳米发电机近年来，压电纳米发电机引起了科学界的广泛关注。
它是一种新型设备，通过压电陶瓷纳米结构将机械能转化为电能。
自驱动系统中的纳米发电机
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ思维导图
纳米
发电机
方面
系统
接着
驱动
各种
驱动
发电机
纳米 介绍
方法
系统
包括
领域
应用
书籍
设计
基础
内容摘要
内容摘要
《自驱动系统中的纳米发电机》是一本全面介绍自驱动系统和纳米发电机的书籍，内容涵盖了从 基础知识到最新进展的各个方面。本书首先介绍了自驱动系统和纳米发电机的概述和发展历程， 接着重点介绍了纳米发电机的各种类型和设计原理，以及其在自驱动系统中的应用。 在第一章中，本书介绍了自驱动系统的基本概念和特点，包括其自主性、响应性和可持续性等。 还讨论了自驱动系统的设计原则和基本构建模块，为后续的纳米发电机设计和应用奠定了基础。 从第二章开始，本书进入了纳米发电机的内容。首先介绍了纳米发电机的概念和基本原理，包括 纳米尺度上的能量转换和收集等。在这一章中，还详细介绍了纳米发电机的各种类型，包括静电 式、摩擦式和热电式等。还介绍了纳米发电机的制造方法和工艺，以及其性能评估和优化方法。
《自驱动系统中的纳米发电机》这本书是一本非常值得阅读的科普书籍。通 过这本书的介绍，我对纳米科技和能源转换有了更深入的了解和认识。这本书的 内容丰富、通俗易懂，同时也具有很强的趣味性和启发性。我相信这本书会对很 多读者产生很大的启示和帮助。
目录分析
《自驱动系统中的纳米发电机》是一本全面介绍纳米发电机在自驱动系统中 的应用和发展的书籍。通过深入浅出的方式，这本书将带领读者了解纳米发电机 和自驱动系统的基本概念、工作原理、应用领域以及未来发展趋势。
纳米发电机———世界上最小的发电机
纳米发电机———世界上最小的发电机程帅【期刊名称】《《高中数理化》》【年(卷),期】2019(000)017【总页数】2页(P51-52)【作者】程帅【作者单位】清华大学附属中学永丰学校【正文语种】中文2019年6月14日,2019年度阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖颁给了华裔科学家王中林院士,王院士也成为首位获此殊荣的华人科学家．早在2006年，王院士就已经研制成功了纳米发电机——世界上最小的发电机,他本人被誉为世界纳米发电机之父．当你听到纳米发电机的时候可能会感到不可思议,纳米量级的发电机是怎么实现的呢?图1传统发电机的工作原理实质是通过电磁感应把其他形式的能量转化成电能．如图2所示,转动的线圈称为转子,磁体称为定子．外部能源驱动线圈在转动过程中切割磁感线,穿过线圈的磁通量发生改变,产生感应电动势,在闭合的线圈内产生电流．根据能源的不同,传统发电机可以分为水力发电机、火力发电机、核能发电机等．由于发电机包括转子、定子、轴承等结构(实物图如图3),很难想象能将其做到纳米量级那么小．图2图3纳米发电机有很多种.首先，我们来分析一下摩擦纳米发电机.我们知道，机械轴承在运转时会产生摩擦磨损器件,需要通过涂抹润滑油等方式减小摩擦和能量损耗．冬季脱毛衣或者用梳子梳头时常常会有“刺啦”的响声,这实际是静电．在生活中有很多类似的场景都伴随着能量的浪费．王中林院士就是根据摩擦起电和静电效应的耦合,利用麦克斯韦位移电流原理把生活中这些微小的能量转化成电能的,而这种发电机则称为摩擦纳米发电机．第二种是压电纳米发电机．它主要是利用氧化锌的压电效应和半导体特性研制的．一些特殊材料在某固定方向受到外力时内部会产生电极化现象,在某两个侧面上聚集正、负电荷;当外力撤销时,这种材料又恢复到原来的不带电状态．通过控制外力大小改变材料中电荷的极化程度,进而改变电场,也就控制住了电路中电子的运动,实现电能的转化．还有一种是热释电纳米发电机．它是基于某些材料(如ZnO)在受热时发生形变,引起材料内部产生电势差,进而驱动外电路中电子运动．纳米发电机的研制成功,彻底突破了人类对于发电机尺寸极限的认识．它能够变废为宝,将生活中十分微小的低频能量收集并转化成电能，如说话时的声波、走路时的摩擦、水的流动、肌肉收缩时产生的能量等,可以说环境中任何微小的能量都能够被利用．基于这一设想,研究者认为可以收集心脏跳动的能量,把它转化成电能给心脏起搏器充电,实现自发电,可以使患者免受电池没电多次手术的痛苦．目前这一实验已经在猪体内获得成功,很快其他植入体内的医疗器械也有望不再需要电池了．把这一技术应用到其他小型电子器件,可以制造出自驱动的微纳系统,为实现物联网和传感网络以及大数据提供了理想的电源解决方案．也许在不久的将来,在鞋子里装个纳米发电机(如图4所示),人类就可以边走路边给手机充电,摆脱了需要外接电源给手机充电的麻烦．图4如今世界上应用的主要能源还是化石燃料,这种能源不可再生并且处于即将枯竭的境地．虽然海洋覆盖了地球上70%的区域,蕴含的能量难以计数,然而受传统发电机自身重力及体积所限,对于这种蓝色能源的开采一直未能有所突破．摩擦纳米发电机体积小,将其做成球中套球的形式,内外球以不同的频率随着波浪一起左右晃动,可以有效地收集波浪中的能量．专家评价这一颠覆性的海洋能采集方式为世界能源的可持续性应用提供了可能,有望在不久的将来改变世界．科学家对纳米发电的探索不止于此，最近电子科技大学张晓升课题组甚至把衣服做成了纳米发电机.人把这种衣服穿在身上,在伸腰、走路、运动时就实现了发电．既然纳米发电机在不同强度的摩擦和压力下可以产生大小不同的电流,反之,不同的电流就反映了不同大小的摩擦和压力,也就反映了引起其变化的相关物理量,如温度、加速度等．这又开拓了关于纳米发电机的一块新的研究领域．虽然纳米发电机有着广泛的应用前景,然而想要规模化、市场化还存在两个主要问题:一是提高电能输出功率,二是实现可持续供电．当前围绕这两个问题,研究人员正在努力开展深入研究．研无止境,我们期盼着纳米发电机早日为我们的生活带来便利．。
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氧化锌纳米线既有半导体的性质，又有压电性质，可以用 他将电子性子和机械性质耦合在一起，像氧化钨纳米线， 碳纳米管就没有压电性质
氧化锌没有毒性是一种环保的材料，可以用于生物上的应 用，生物传感器，还可以用于医疗器械上
氧化锌拥有丰富的纳米结构，像纳米线、纳米带、纳米环、 纳米棒，他们的制备方法也非常成熟，纳米线能够在多种 基底上生长，且能控制生产的密度，长度
纳米发电机原理
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首先AFM传导针尖与纳米线被拉伸的表面接触(+Vs)，金属 针尖的电势（Vm）几乎为0，△V=Vm-Vs小于零，所以金属 针尖和氧化锌表面发生负偏压，由于氧化锌纳米线可以看 做n型半导体，所以Pt金属和氧化锌半导体表面在此可以看 作是一个反偏的肖特基二极管，表面电流很小
纳米发电机原理
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-Vs和+Vs是由于压电效应产生的电压，电势是由锌离子 和氧离子相对转移产生的，如果不释放应力，这些离子 电荷不能自由移动，也不能重组，电势差将保持
纳米线底部和顶部的接触是不对称的，底部接触是氧化锌 薄膜与银层的接触，氧化锌的电子亲和能是4.5eV，Ag的 功函数是4.2eV，所以界面处无势垒。在纳米线尖端，Pt的 功函数是6.1eV，Pt与氧化锌的接触是肖特基结
氧化锌纳米线被固定在弹性 高分子衬底上，两端与电极 接触，当基板拉伸或压缩， 纳米线上会产生一个压降， 电子会通过外部电路流动形 成电流，当力被释放，恢复 形变，电子会沿反方向流过 来，形成的电流方向与刚才 相反，可以封装在聚合物薄 膜中
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nanogenerator
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压电式纳米发电机
nanogenerator
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想象这样一个情景：自动化工业时代之初，全世界的高 级技术工程师和企业家都纷纷开始设计制造客车、公共 汽车、卡车、摩托车以及其他各种可以想到的机动交通 工具，但却没有人首先研制用以驱动他们的发动机
这正是纳米技术产业所面临的问题：在设计和制造纳米 尺度的传感器等器件方面，以及在微机电系统取得长足 进展，却很少有人考虑先研发给这些纳米器件提供能量 的微型功率源——纳米发电机
纳米发电机产生
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概述
纳米发电机发展前景 直立式纳米发电机 纳米发电机原理 氧化锌纳米线的优点 纤维纳米发电机 交流纳米发电机
nanogenerator
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让纳米尺度的器件能够自己给自己提供电源，从而实 现器件和电源的同时小型化，这是科学家一直所梦寐 以求的，纳米发电机能够将周围的微小运动、振动、 流体等自然存在的机械能转化为电能
纳米发电机发展前景
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（a）在氮化 镓基板上生长 的氧化锌纳米 线扫描电子显 微图像
（b）在导电 的原子显微镜 针尖作用下， 纳米线利用压 电效应发电示 意图
（c）在氧化锌纳米线上用探针尖收集到的电信号 （d）单根纳米线上探针尖的移动图像和产生的电信号图像
直立式纳米发电机原理图
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氧化锌纳米线的优点
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纤维纳米发电机
(a) 低倍SEM照片显示两个互相缠绕的、表明长有氧化锌纳 米线阵列的纤维，其中一个镀有金
(b) 高倍SEM照片显示两纤维界面处的纳米线结构 (c) 显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的并联式
纤维纳米发电机
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交流纳米发电机
交流纳米发电机
产生压电放电能量的物理原理来自氧化锌的压电性质和 半导体属性的耦合，一根垂直的直立氧化锌纳米线被AFM 针尖挤压产生一个应变场，外表面被拉伸，内表面被压 缩。由于压电效应在纳米线内部沿z方向产生一个电场， 压电场方向在外表面与轴几乎平行在内表面与轴反平行， 在一级近似下，沿着纳米线尖端的宽度，从压缩之间
探针与拉伸面接触
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然后AFM传导针尖与纳米线被压缩的表面接触(-Vs)，金属 针尖的电势（Vm）几乎为0，△V=Vm-（-Vs）大于零，所 以金属针尖和氧化锌表面发生正偏压，Pt金属和氧化锌半 导体表面在此可以看作是一个正偏的肖特基二极管，同时
输出的电流突然升高
电流是在△V驱动下，从半导体氧化锌纳米线到金属针尖的 电子流动产生的，通过纳米线到针尖回路中，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-Vs 和+Vs的量级，因此,△V开始减小，并在纳米中所有离子电 荷被中和的时候变为0，这就解释了为什么放电曲线是对称 的
探针与压缩面接触
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用VLS方法生长氧化锌纳米线过程中，纳米线顶端金颗粒对 发电效果的影响
纳米线顶端金颗粒
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