基于纳米ZnO压电纳米发电机
基于纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置
基于纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置作者：刘建檬来源：《科技风》2016年第09期摘要：合理利用汽车本身对道路的动力，设计回收这种能量的装置是减少能源浪费，延长能源使用年限的有效手段。
本文基于纳米发电技术，提出了将标准小汽车经过减速带时产生的动能转化为可利用的电能储存起来的装置，达到了降低汽车能耗的目的。
关键词：纳米发电；能量转换；减速带能量回收装置；标准小汽车随着经济的迅速发展，有限的能源被大量地消耗是人类待解决的一大难题。
减少能源供给的这种方式实现的可能性是很小的，只有从能源的有效利用和重新收集能源的方式上着手，才能有效地缓解能源短缺的压力。
公路上的汽车减速带主要是用来控制车速的一种装置，车碾过时总会向上一颠，这种上下运动就可以通过某种装置转化为电能。
减速带可以做成随着汽车碾过而下降的结构，每一次下降就可以产生一次电能，技术关键在于将机械能转化为电能的装置[ 1 ]。
1 关键技术1.1 铸钢减速带现状安装在公路上使经过的车辆减速的减速带主要有两种，分别是橡胶制和铸钢制的，这两种类型的减速带各有特点，橡胶减速带具有减震性，寿命长，对车磨损少等特点。
但是，橡胶减速垫破损后，不能在原位置安装新的减速垫，而且旧安装位置留下的螺钉对车辆轮胎磨损大，甚至存在安全隐患，特别是过往重型车辆多或可安装减速带位置少的场所。
而铸钢减速带，是使用特种钢制作，承重在200吨以上，常用于高速公路、加油站、城市路口等超过200吨的机动车辆出口地带。
铸钢减速垫耐磨性强，承载重力大，不变形且寿命是橡胶减速垫的5～10倍。
1.2 车辆分析我国车辆类型繁多，可以分为五类，分别是载客车，载货车，三轮汽车，低速货车，摩托车和挂车，像载货车和载客车又分为中型、轻型和微型，在这里我们仅以轿车为例进行研究。
同时，汽车经过减速带时的质量应是总质量（汽车总质量=整备质量+驾驶员及乘员质量+行李质量）。
1.3 装置系统图我们研究的是汽车通过减速带时，利用设计的纳米压力发电机能量回收装置，将汽车的动能和重力势能转化为电能并储存起来，具体设计的装置如下所示：1.4 装置原理为收集汽车经过减速带时的能量并将其转化成可利用的电能，我们设计了一套装置，其具体工作原理如下。
纳米发电机工作原理
纳米发电机工作原理在现代科技发展的浪潮下，人们对于能源的需求量越来越大。
为了满足这一需求，科学家们一直在寻找新的能源技术。
纳米发电机便是其中一项创新的能源技术。
本文将介绍纳米发电机的工作原理以及其在未来的应用前景。
1. 概述纳米发电机是一种基于纳米技术的发电装置，尺寸非常小，仅有几纳米。
它可以将环境中的能量转化为电能，具有很高的能量捕获效率。
2. 纳米材料纳米发电机采用了先进的纳米材料，例如碳纳米管、石墨烯和氧化锌等。
这些材料具有独特的电子结构和优异的电导特性，使得纳米发电机能够高效地捕获能量并转化为电能。
3. 压电效应纳米发电机利用压电效应来产生电能。
当纳米材料受到力或压力作用时，晶格结构产生畸变，导致电荷分离。
这种分离的电荷会形成电场，从而产生电能。
4. 热电效应除了压电效应，纳米发电机还可以利用热电效应来产生电能。
当纳米材料的温度差异较大时，会产生电荷分离，形成电场，从而实现能量转换。
5. 应用前景纳米发电机具有很广阔的应用前景。
首先，它可以嵌入到各种微型设备中，如智能手机、可穿戴设备和传感器等，实现自动发电，减少对外部电源的依赖。
其次，纳米发电机可以应用于能量收集和储存领域，为微型电子设备提供稳定的电力供应。
此外，纳米发电机还可以用于生物医学领域，如体内植入物和生物传感器等，为医疗设备提供独立电源。
6. 挑战与展望尽管纳米发电机具有巨大的潜力，但目前还存在一些挑战。
首先，纳米发电机的制备工艺和材料研究仍处于探索阶段，需进一步优化和改进。
其次，纳米发电机需要满足小型化和高效能的要求，对工艺和设计提出了更高的要求。
此外，纳米发电机在商业化应用上还面临着成本和可持续性的问题。
展望未来，随着纳米技术的不断发展和成熟，纳米发电机有望成为解决能源问题的重要手段之一。
通过不断的研究与改进，我们可以期待纳米发电机在各个领域发挥更大的作用，实现更加便携、高效且环境友好的能源转换。
纳米发电机的出现将为人类带来更加便捷和可持续的能源生活。
纳米发电机的研究现状及发展趋势
纳米发电机的研究现状及发展趋势纳米发电机是一种新型的能源技术，它利用纳米级别的物理效应来转化和储存能量。
自2006年首次提出以来，纳米发电机在各个领域都展现了广泛的应用前景。
本文将概述纳米发电机的概念、历史和现状，并探讨其未来的发展趋势和挑战。
纳米发电机是一种基于纳米尺度效应的能量转换装置。
它将机械能、热能或其他形式的能量转化为电能，并通过纳米结构将这种能量储存起来。
纳米发电机的主要优势在于其高度的灵活性和定制性，使其能够适应各种不同的应用场景。
生物医学领域：在生物医学领域，纳米发电机可以通过植入式设备为人体提供持续的电能，从而实现如起搏器、药物输送、无线通信等医疗功能。
环境监测领域：纳米发电机可以用于环境监测领域，例如检测空气和水中的有害物质，以及监测生态系统的能量流动。
国防领域：由于纳米发电机具有高度的灵活性和隐蔽性，它可以用于制造高效、隐蔽的无线通信系统和传感器，从而应用于国防领域。
自2006年首次提出纳米发电机的概念以来，研究者们在理论和实验方面都取得了重要的进展。
在理论研究方面，科学家们通过计算机模拟和理论分析，深入探讨了纳米发电机的物理机制和优化设计方案。
在实验方面，研究者们通过不懈努力，成功地制备出多种不同材料和结构的纳米发电机，并对其性能进行了详细研究。
近年来，纳米发电机在能量转换效率、稳定性和生物相容性等方面都取得了显著的突破。
例如，研究人员利用生物相容性良好的材料制备出一种新型的纳米发电机，可以在生理环境中长期稳定运行，为植入式医疗器械提供了新的能源解决方案。
还有研究团队开发了一种基于摩擦电效应的纳米发电机，可以将机械能转化为电能，从而实现能源的可持续利用。
随着纳米技术的不断进步和研究者们对纳米发电机认识的深入，纳米发电机的发展将迎来新的机遇。
以下是一些可能的发展趋势：材料创新：未来的纳米发电机有望使用更加高效、稳定和环保的材料。
例如，研究人员正在探索生物降解性良好的材料用于纳米发电机的制备，以降低对环境的影响。
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。
纳米晶体ZnO的应用
•
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利用热蒸发法所得到的纳米带
ZnO纳米带的SEM图像和 XRD图像[10]
ZnO纳米的TEM和HRTEM图像以及 相关的电子衍射图像[10]
液相法
• 液相法：是指在制备的过程中，采用溶液作为媒介或载体传递能量，使反应 源发生一定的物理化学反应，从而结晶长大制备纳米材料的方法。 根据传递能量的方式或者载体不同，液相法主要包括溶剂热(Solvothemlal)、 水热法(Hydrothermal)、超临界流体液固法(Supercritical fluid-liquidsolid)、化学反应自组装法(Self-assembly)等方法。 液相法中由于中间过程比较复杂，有关合成机理的研究不如气相法成熟，目 前较为成熟的机理是超临界流体液固法合成纳米材料中提出的溶液一液相一 固相机理(Solution-liqllid-solid）。
参考文献
• • • • • • • [1] 刘智昂. Zn基纳米材料的制备、微结构、生长机理及光谱研究[D].南昌航空 大学,2012. [2] 叶晓云,周钰明. 纳米ZnO研究进展[J]. 化学与生物工程,2010,02:1-6. [3] 田晓亮,孙婉婷,谢明政,井立强. ZnO纳米棒阵列在TiO_2介孔薄膜上的生长及 其表征[J]. 无机化学学报,2012,07:1441-1446. [4] 贺惠蓉. 氧化锌的制备及性能研究[D].陕西科技大学,2013. [5] Wang Z L, Song J. Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J]. Science, 2006, 312(5771): 242-246. [6] 刘国强. 水溶液法制备ZnO纳米线/p+-Si异质结光电特性的研究[D].大连理 工大学,2012. [7] 张威,李梦轲,魏强,曹璐,杨志,乔双双. ZnO纳米线场效应管的制备及I-V特性 研究[J]. 物理学报,2008,09:5887-5892. [8] 王锦春. ZnO纳米线的光致发光（PL）行为研究[D].电子科技大学,2006. [9] Law M, Greene L E, Johnson J C, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells[J]. Nature materials, 2005, 4(6): 455-459. [10] Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L. Nanobelts of semiconducting oxides[J]. Science, 2001, 291(5510): 1947-1949.
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》篇一基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感一、引言随着科技的飞速发展，人类对健康监测与防护的需求日益增长。
在众多健康监测手段中，呼吸防护与动力学传感显得尤为重要。
为了更好地实现这一目标，我们结合了新兴的摩擦/压电纳米发电机技术，以开发出一种高效、可靠的呼吸防护与动力学传感系统。
本文将详细介绍该系统的原理、设计、应用及优势。
二、摩擦/压电纳米发电机技术概述摩擦纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）是近年来新兴的能源转换技术。
它们基于材料之间的摩擦或压电效应，能够直接将机械能转换为电能。
这种技术具有结构简单、能量转换效率高、无需外部电源等优点，因此在能源、传感器等领域具有广泛的应用前景。
三、基于摩擦/压电纳米发电机的呼吸防护系统设计我们设计的呼吸防护系统采用了摩擦/压电纳米发电机技术，通过捕捉人体呼吸过程中产生的微小机械能，将其转换为电能，为呼吸防护设备提供持续的能源。
此外，该系统还能实时监测呼吸频率、深度等参数，为医生提供病人的呼吸状况信息。
四、动力学传感应用除了为呼吸防护设备提供能源外，我们的系统还能应用于动力学传感。
通过在关键部位安装纳米发电机，可以实时捕捉人体的运动信息，如步态、姿势等。
这些信息对于运动分析、康复训练、人体力学研究等领域具有重要价值。
五、系统设计与实现我们的系统设计主要包括以下几个部分：1. 材料选择：选用具有良好摩擦/压电性能的材料，如聚合物薄膜等。
2. 结构设计：设计合理的结构，使纳米发电机能够有效地捕捉人体呼吸及运动过程中的机械能。
3. 电路设计：将摩擦/压电纳米发电机与电路连接，实现电能转换与存储。
同时，通过电路设计实现实时监测与数据传输。
4. 软件算法：开发相应的算法，对监测到的数据进行处理与分析，得出呼吸及运动参数。
在实现过程中，我们采用了先进的微纳加工技术，实现了纳米发电机的微型化、集成化。
同时，通过优化材料选择和结构设计，提高了能量转换效率及系统稳定性。
智能纳米发电机[发明专利]
![智能纳米发电机[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/86f9ecc59f3143323968011ca300a6c30c22f1ed.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711223600.4(22)申请日 2017.11.17(71)申请人 宁波高新区世代能源科技有限公司地址 315040 浙江省宁波高新区聚贤路587弄15号2#楼033幢5-1-13室(72)发明人 赵军政 赵倩 (51)Int.Cl.H02N 2/18(2006.01)(54)发明名称智能纳米发电机(57)摘要一种智能纳米发电机，由ZnO纳米线、柔性聚二甲基硅氧烷橡胶、石墨烯聚合而成的汽车轮胎复合层，汽车轮胎复合层是指ZnO纳米线在汽车轮胎的法向与柔性聚二甲基硅氧烷橡胶交替组合，组成ZnO纳米线法向矩阵的复合层，柔性聚二甲基硅氧烷橡胶作为填充材料，ZnO纳米线竖直矩阵作为压缩发电材料，复合层ZnO纳米线的两端层分别各有一层石墨烯层分别作为正负电极层，正负电极层外面分别各有一层绝缘层；所述的汽车轮胎复合层在汽车轮胎制造过程中，被复合在轮胎外胎的耐磨层之内或者内胎之中或者内胎和外胎之中，在汽车旋转运行过程中，输出电流恒定；本发明的点：智能纳米发电机输出功率大，使用价值高，工业应用和产业化的价值巨大，节能减排降耗。
权利要求书1页 说明书3页CN 107896073 A 2018.04.10C N 107896073A1.一种智能纳米发电机，其特征是：所述的智能纳米发电机含有ZnO纳米线，所述的ZnO 纳米线被复合在汽车轮胎中。
2.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的智能纳米发电机含有ZnO 纳米线、柔性聚二甲基硅氧烷橡胶、石墨烯聚合而成的汽车轮胎复合层。
3.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的汽车轮胎复合层在汽车轮胎制造过程中，被复合在轮胎外胎的耐磨层之内或者内胎之中或者内胎和外胎之中。
4.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的汽车轮胎复合层是指ZnO 纳米线在汽车轮胎的法向与柔性聚二甲基硅氧烷橡胶交替组合，组成ZnO纳米线环向阵列的复合层，所述的法向是指在汽车轮胎的圆周平面内、垂直于圆周线方向的直径方向，柔性聚二甲基硅氧烷橡胶作为填充材料，ZnO纳米线环向阵列作为压缩弯曲变形的发电材料。
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。
基于纳米纤维素的压电-摩擦电柔性纳米发电机的构筑及性能研究
基于纳米纤维素的压电-摩擦电柔性纳米发电机的构筑及性能研究基于纳米纤维素的压电/摩擦电柔性纳米发电机的构筑及性能研究摘要：随着能源需求的不断增长和可再生能源的重要性日益凸显，新型的柔性纳米发电机成为一种备受研究关注的技术。
本研究以纳米纤维素为基础材料，构筑了一种压电/摩擦电柔性纳米发电机，并对其性能进行了研究。
实验结果表明，该发电机在压力和摩擦力的作用下能够有效地转化机械能为电能，具有良好的发电性能和可靠的柔性特性，为柔性电子器件和便携式电子设备提供了一种新型的能量来源。
关键词：纳米纤维素；压电发电；摩擦发电；柔性发电机；性能研究一、引言随着科技的快速发展和人们生活水平的提高，电子设备的需求量不断增长。
然而，传统的电力供应方式存在能源浪费和环境污染等问题，因此，研究人员开始关注新型的可再生能源和能量转换材料。
柔性纳米发电机作为一种新兴的技术，吸引了越来越多的研究兴趣。
纳米纤维素作为一种具有优异柔性、透明度和生物相容性的新型材料，被广泛应用于电子器件和能量转换领域。
本研究旨在探究基于纳米纤维素的压电/摩擦电柔性纳米发电机的构筑方法和性能研究。
二、实验方法1. 材料制备：使用纳米纤维素作为基础材料，通过溶液旋转涂布、热压和干燥等步骤制备纳米纤维素薄膜。
薄膜具有良好的柔性和导电性能。
2. 构筑发电机：将制备好的纳米纤维素薄膜与金属电极和聚合物基底组装在一起，形成压电/摩擦电柔性纳米发电机。
3. 性能测试：利用实验装置对发电机的性能进行测试，包括输出电压、输出电流、发电效率等参数的测量。
三、实验结果与分析本研究制备的压电/摩擦电柔性纳米发电机在压力和摩擦力的作用下能够有效地转化机械能为电能。
实验结果显示，发电机在不同压力和摩擦力下均能够产生稳定的电压和电流输出。
此外，发电机的发电效率也较高，表明其具有良好的能量转换效果。
通过调整压力和摩擦力的大小，可以进一步优化发电机的性能，提高其发电效率和功率输出。
四、性能优化与应用展望为进一步提高柔性纳米发电机的性能，研究人员可以从以下几个方面进行优化：1. 材料选择：结合纳米纤维素与其他功能材料，如二维材料、金属有机骨架材料等，以提高发电机的性能和稳定性。
氧化锌纳米结构的压电性能研究
氧化锌纳米结构的压电性能研究作者：张跃林沛闫小琴，等来源：《新材料产业》 2014年第10期文/ 张跃林沛闫小琴廖庆亮丁一北京科技大学一、氧化锌（ZnO）半导体材料作为典型的第3代半导体材料，半导体氧化锌（Z n O）激子结合热能高达60m e V，远大于室温下的热能（26meV）。
这样，ZnO可以通过激子－激子散射的方式实现受激发射，这种模式比半导体中通常采用的电子－空穴等离子体的受激发射模式的阈值低2个量级以上。
因此与Ⅲ族氮化物相比，Z nO其在固态照明、短波长半导体激光和紫外光电探测等领域有明显的优势，已经成为目前半导体研究领域中的热点。
然而，目前这些研究主要集中在Z n O的光学性能方面，其压电性能往往受到人们的忽视。
常见的Z n O结构中，锌（Z n）与氧（O）之间通过s p3杂化形成4个等价原子轨道，形成4面体配位构型，使得ZnO具有压电特性。
当电中性的4面体结构受外力作用时，正负电荷中心偏移，产生电极化现象，沿着应力方向产生符号相反的电荷富集现象，形成压电电势，当外力撤出后，晶体又恢复到电中性的状态。
此外，Z n O的压电效应也是所有4面体构型的半导体中最为显著的，与Ⅱ-Ⅵ族其他纤锌矿结构的化合物如硫化锌（ZnS）、硒化镉（C d S e）相比，Z n O的压电张量系数至少是它们的2倍。
2006年，美国佐治亚理工学院的王中林教授利用Zn O的压电效应制成了世界上最小的纳米发电机，为解决纳器件系统的供电问题提供了新的思路。
利用Z n O力电耦合的性能构建的传感器，可以测到1个n N的力。
因此，Z n O在机-电耦合体系如微机电系统、纳机电系统、传感、信号处理以及通讯等方面具有广阔的应用前景。
虽然距离氧化锌的器件应用还有相当一段漫长的道路，但氧化锌材料在微纳能源收集和探测器件上的优势已经逐渐凸显出来。
二、纳米压电发电机在全球变暖和能源危机日益严峻的形势下，对于绿色可再生能源的探索成为维持人类文明可持续发展最为紧迫的挑战之一。
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》范文
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》篇一基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感一、引言随着科技的进步和人们对健康安全的日益关注，呼吸防护和动力学传感技术已成为现代医疗、工业和环境监测领域的重要研究方向。
其中，基于摩擦/压电纳米发电机的技术因其高灵敏度、低功耗等优点，在呼吸防护与动力学传感方面展现出巨大的应用潜力。
本文将探讨基于摩擦/压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感技术的研究现状、原理、应用及未来发展趋势。
二、摩擦/压电纳米发电机的工作原理及特点摩擦纳米发电机是一种通过摩擦起电效应和静电感应原理实现能量转换的装置。
压电纳米发电机则是利用某些材料在受到压力时产生电压的效应来工作。
这两种技术相结合，能够为各种微小设备提供持续的电力供应。
其特点包括高灵敏度、低功耗、无需外部电源等。
三、呼吸防护中的应用1. 呼吸监测：基于摩擦/压电纳米发电机的呼吸监测系统，可以通过检测人体呼吸过程中产生的微小压力变化，实现对呼吸频率、深度等参数的实时监测。
这对于呼吸系统疾病诊断、睡眠质量评估等方面具有重要意义。
2. 呼吸防护装置：利用纳米发电机产生的电力，可以为可穿戴式呼吸防护装置提供动力，实现实时数据传输、报警等功能。
此外，通过与传感器结合，可以实现对有害气体的检测和预警，提高呼吸防护的效率和安全性。
四、动力学传感中的应用1. 运动监测：基于摩擦/压电纳米发电机的运动监测系统，可以实时监测人体的运动状态，包括步态、姿势等。
这有助于评估运动过程中的能量消耗、运动效果等，为运动康复、健身训练等领域提供有力支持。
2. 生物医学传感：纳米发电机的高灵敏度使其在生物医学传感领域具有广泛应用。
例如，可以用于监测心脏跳动、肌肉收缩等生理信号，为疾病诊断和治疗提供依据。
五、应用现状及前景目前，基于摩擦/压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感技术已在医疗、工业、环保等领域得到应用。
未来，随着材料科学、微纳技术等的不断发展，这种技术将在更多领域展现其潜力。
基于纳米发电机的自供能纳米系统
基于纳米发电机的自供能纳米系统基于纳米发电机的自供能纳米系统近年来，随着科技的不断进步和人们对能源的需求增加，自供能纳米系统作为一种新兴技术开始引起人们的广泛关注。
在这种系统中，纳米发电机被用来将环境中的机械能、热能或化学能转化为电能，为纳米系统的正常运行提供持续、可再生的能源。
纳米发电机作为自供能纳米系统的核心组件，拥有极小的体积和重量，能够在微观甚至纳米级别的实体上进行能量转换。
纳米发电机的原理主要包括压电效应、热电效应、摩擦电效应和化学电效应等。
其中，压电效应是最常用的一种方式，即利用物质在受到压力或形变时的电荷分离现象来产生电能。
基于纳米发电机的自供能纳米系统具有很广泛的应用前景。
首先，它可以用于可穿戴电子设备中，使电子设备不再依赖外部电源，提供了更长的使用时间和更强的可移动性。
其次，自供能纳米系统可以应用于生物医学领域，例如用于植入式设备的能源供应，如心脏起搏器或药物泵等。
另外，它还可用于环境监测和智能家居等领域，实现对环境能量的高效利用和自动控制。
然而，基于纳米发电机的自供能纳米系统还存在一些挑战需要克服。
首先，纳米发电机的效率和输出功率需要进一步提高，以满足不同应用领域的能量需求。
其次，纳米发电机的制造技术需要更加成熟和可靠，以实现规模化的生产和应用。
此外，纳米发电机对环境的适应性和稳定性也是需要研究和解决的问题。
为了解决这些问题，科研人员们正在不断努力。
一方面，他们通过改进发电材料的性能和结构设计来提高纳米发电机的效率和输出功率。
另一方面，他们致力于开发新的制造技术，如纳米制造和自组装技术，以实现纳米发电机的可扩展制造。
同时，他们也在开展环境适应性和稳定性的研究，以保证纳米发电机在各种环境条件下的正常运行。
基于纳米发电机的自供能纳米系统的发展前景令人充满期待。
随着技术的进步和研究的深入，自供能纳米系统有望在各个领域发挥重要作用，提升设备的能源效率和可持续性。
未来，我们可以期待在医疗、环境保护、智能化生活等领域见到更多基于纳米发电机的自供能纳米系统的应用，让我们的生活变得更加便利和可持续。
由随机振动所驱动的纳米发电机——从无序中提炼出有序
第31卷第4期吉首大学学报(自然科学版)Vol.31No .42010年7月Journ al of Ji shou Universit y (Nat ural Science Edit ion)July.2010文章编号:1007-2985(2010)04-0071-05由随机振动所驱动的纳米发电机从无序中提炼出有序李德俊(吉首大学物理科学与信息工程学院,湖南吉首416000)摘要:研究了由超声波驱动的直流纳米发电机的发电原理,该发电机是一个无序能量收集器,能把纳米尺度的无规则或无序的微小机械能转变成有秩序的电能,即该纳米发电机是一个能把混乱整理成秩序、能从无序中提炼出有序的装置.计算了随机振动噪声所引起的纳米发电机输出的直流电流大小,在一定的条件下,这种纳米发电机的输出电流大小可以达到240nA 且可以由实验来测量的.关键词:纳米发电机,随机振动,无序能量收集器中图分类号:O411.1;TK01+1文献标志码:A在过去的几十年中,纳米科学技术取得了许多突破性进展,使纳米电子学、光电子学、量子电子学、材料科学、化学、生物等领域产生变化,对人类社会的文明进步、可持续发展将产生十分深远的影响.到目前为止,通过科学工作者们的努力,已经发明了大量的有广阔应用前景的纳米装置,如纳米电机、纳米探测器、纳米传感器、半导体纳米存储器、纳米三级管、纳米二极管等,但是这些纳米装置的运行需要给它们提供能源,而传统的化学电池存在着不少缺点,因此,近年来,研究者们正在探索为这些纳米器件提供能源的新途径.由于纳米器件所消耗的功率极低[1-3],而在周围环境中存在着大量的能量,如太阳能、风能、热能、振动能等,因而科学家们正在研究怎样从周围环境中获得能量的新装置[4].近年来由国际著名纳米科学家王中林领导的研究小组,在这方面取得了突破性进展,2006年,他们借助于原子力显微镜,成功地把纳米尺度的机械能转变成了电能[5],为纳米发电机的发明奠定了坚实的基础.2007年他们成功地设计出了由超声波驱动的纳米发电机,输出了连续的直流电[6-7].最近他们又把低频的微小振动转变成了电能[8],表明了纳米发电机广阔的应用前景.在这一系列的研究中,他们利用了纳米线的压电和半导体的耦合性质,把纳米尺度甚至更小的机械能转变成了电能,使得这种纳米发电机能从周围环境各种频率的振动噪声吸收和收集能量,甚至人行走时的肌肉伸缩、脚对地的压缩、呼吸、心跳或是血液流动都有可能带动这种纳米发电机产生电能,这一发明无疑是科技领域的进步,将对纳米科技的发展产生较深远影响.在物理学中,人们只有有序能量能自发地转变为无序能量,而无序能量是不能自发地转变为有序能量的.事实上,就目前来讲,整个宇宙的运动是有秩序的,这些有序运动从何而来,一直是科学上的一个谜.按目前的理论,宇宙中的有序能量终有一天会全部自发地转变为无序运动,整个宇宙的无序度将达到极大,运动将在质上彻底地消亡,整个宇宙将变得完全无序,这些无序运动的能量再也不可能自发地转变成有序能量.王中林小组纳米发电机的成功发明,使人们对这些问题有了一个新的认识.人们一般认为:存在于周围环境中的振动噪声是一些随机的或无序的、无规则的微小振动能量,这些混乱的微小机械能,是一些废弃的甚至是有害的无用能量,是不可以再加以利用的,也就是说,在这个世界上,只有有序能量能自发转变*收稿日期6基金项目吉首大学研究生处资助项目作者简介李德俊(56),男,湖南澧县人,吉首大学物理科学与信息工程学院教授,硕士,主要从事凝聚态物理研究:2010-0-21::19-.为无序能量,而无序能量是不能自发地转变为有序能量的,然而通过仔细分析可以发现,王中林小组发明的纳米发电机的设计,使它成为一种无序能量收集器,它能把无规则的混乱的微小机械能收集、整理成有秩序的电能,是一种能从无序中提炼出有序、能把混乱整理成秩序的装置,笔者认为这是纳米发电机在科学上的重要价值之所在.近年来,ZnO 作为一种多功能材料备受人们的关注,特别是随着纳米科学的进步,人们发现ZnO 纳米材料呈现出十分丰富的构型,如纳米线、纳米带、纳米弹簧,纳米环、纳米弓、纳米螺旋等,这些ZnO 纳米材料具有十分奇特的物理性质,展现了十分广阔的实际应用前景.笔者主要研究ZnO 纳米线的随机摆动导致的纳米发电机输出的直流电流大小,仔细分析了带有锯齿电极的ZnO 钠米发电机的发电原理,表明这种钠米发电机能把ZnO 钠米线的无规则的随机摆动能量收集整理成有秩序的电能.同时研究了ZnO 纳米线的振动特性,为计算纳米发电机输出电流作准备.并计算了随机振动的振幅的概率密度函数为高斯分布的情况下,纳米发电机输出电流的大小.1无序能量收集器从无序中提炼出有序图1纳米线的随机摆动向外放电王中林发明的纳米发电机原理已在文献[5-6]中作了描述,该纳米发电机实质上是一个无序能量收集器,能把无规则的、混乱的、随机的微小机械能收集、整理成有秩序的电能.该纳米发电机的最核心部位,就是位于发电机上方的锯齿状电极,如图1所示.在锯齿电极与竖直排列的ZnO 纳米线之间留有一定的小间隙,使得ZnO 纳米线在与铂电极接触之前能产生一定的形变,摆动中的ZnO 纳米线每次与铂电极接触时,都是纳米线带负电的内表面与铂电极相接触,这使得N 型半导体材料ZnO 与铂电极形成的肖特基二极管处于正向偏置,从而把形变所产生的压电能通过外部负载释放出来.电子是怎样从带负电的内表面通过外电路到达带正电的外表面,从而与外表面的空隙复合的,在以往的文献中,似乎还没有论述清楚,根据发电机各种材料的功函数,不难得出各种材料在连接处形成了3个整流二极管,而不只是1个二极管.由于这些二极管的存在,位于被压缩的内表面上的电子能容易地通过外电路到达被伸展的外表面而与空隙复合,同时在纳米发电机中凹槽型的锯齿状电极也有一定的缺点,那就是只有那些左右摆动的ZnO 钠米线才有可能与铂电极相接触而向外部负载放电,这就大大限制了随机摆动中的ZnO 纳米线与铂电极相接触的几率.如果把这种凹槽型的锯齿状电极改装成圆锥型的凹坑,那么,无论ZnO 钠米线朝哪个方向摆动,只要摆幅超过了纳米线与电极之间的间隙,就能与铂电极相接触,这就大大增加了随机摆动中的ZnO 纳米线与铂电极接触的几率,从而会大大增加发电机的效率.根据以上的分析,圆锥型的铂电极也能把ZnO 纳米线的无规则随机摆动能量收集、整理成有秩序的电能.尽管在一定的环境条件影响下,ZnO 的摆动是无规则的、随机的,但无论ZnO 纳米线向哪个方向摆动,只要摆幅超过了一定的数值,都能与圆锥状电极相接触,从而向外部负载放电.如果纳米线的数量非常多,将有许多摆幅较大的ZnO 纳米线同时与上部电极接触,同时向外部电路放电,这就相当于由许许多多电源并联的电源组,同时向外部负载放电.由于电源并联,将大大减少等效电源的内阻,许许多多的细小电流将汇集成较大的电流,所有纳米线向外部负载放电电流的方向都是一致的,这些电流是相互叠加而增长的,这样就把随机无序的振动能量,收集放大成了有序的电能.2氧化锌纳米线的振动特性在纳米发电机中,ZnO 纳米线都生长在氮化镓或蓝宝石基底之上,因而ZnO 纳米线的振动问题是属于一端固定而另一端自由的杆的横振动问题,其定解问题为y(x ,)+Y I S y(x,)x =,()72吉首大学学报(自然科学版)第31卷2t t 24t 401y(x ,t)|x =0=0,y x (x,t)|x=0=0,(2)y xx (x,t)|x=l =0,y xx x (x,t)|x=l =0,(3)其中:Y 为纳米线的杨氏模量;I 为惯量矩;S 为纳米线的横截面积;为质量密度;l 为纳米线的长度.令上述定解问题的解为y(x,t)=y(x)e i t ,(4)将(4)式代入(1)式,则d 4y(x)dx4-!4y(x)=0,(5)其中!=(SY I 2)1/4.(5)式的一般解为y(x)=C 1cos !x +C 2sin!x +C 3cosh !x +C 4sinh !x ,(6)其中C 1~C 4为待确定的常数.根据边界条件(2)和(1)式,可得sin 2-sinh 2+(cos +cosh )2=0,(7)y(x)=C[f ()cos !x -sin !x -f ()cosh !x sinh !x ],(8)f ()=sin+sinh cos+cosh ,(9)其中:=!l;l 代表纳米线的长度.由(7)式可决定纳米线的本征振动频率,(8)式决定处纳米线的振幅.为了使问题的处理变得简单,把纳米线的摆动等效为简谐振子,为此,计算纳米线摆动的最大动能,也就是总机械能,并把总机械能表达为纳米线顶端最大摆幅的函数.利用(4),(8)式,可得到纳米线摆动的总机械能为w =122S l 0y 2(x)ds.(10)通过计算,纳米线摆动的总机械能可写为w =12m 2g 1()g 2()A 2m ,(11)其中:g 1()=f 2()(1+12!sin2+12!sinh 2-sin cosh -cos sinh )+sinh 22-sin 22+sin cosh -cos sinh -f ()(sin -sinh )2;(12)g 2()=[f ()(cos -cosh )-sin +sinh )2,(13)其中:m 为纳米线的总质量;为纳米线的本征振动频率;A m 为纳米线顶端的最大摆幅.引入等效弹性常数k 为k =m 2g 1()g 2()=Y I l 34g 1()g 2()=15.3Y I l 3.(14)利用等效弹性常数,可把纳米线的摆动等效为一个弹性常数为k 、振幅为A m 的简谐振子的振动,这样就使问题的处理变得异常简单,纳米线摆动的总机械能可简单地写为w =12k A 2m .(15)根据(15)式,要使纳米线顶端产生A m 大小的偏离,则作用在纳米线顶端的横向偏离力为F =w A m =k A m ,(16)3随机振动噪声所引起的直流输出电流由上述讨论可知王中林小组发明的纳米发电机可以把纳米尺度的随机的、无序的振动机械能收集、整理、放大成有秩序的电能,笔者将计算由随机振动噪声所引起的纳米发电机直流输出电流的大小为方便计算,假定随机振动振幅的概率密度分布函数为高斯分布函数为73第4期李德俊:由随机振动所驱动的纳米发电机.f (x )=2#1e -x 222.(17)由图1可知,如果ZnO 纳米线顶部的偏转幅度大于某一数值A m 时,就能与上部圆锥型电极相接触,则每根纳米线能与上部电极相接触的概率为P(A m )=2#1A m e -x 222dx =1-2#1A m 0e -x 222dx #1-1-e -A 2m 22.(18)若共有N 根ZnO 纳米线,则同时与上部电极相接触的纳米线数为n =NP (A m ).文献[9]详细计算了一根弯曲的纳米线由于压电效应而产生的静电势,根据其研究结果,对于一根弯曲的纳米线,被伸展的一面的电势是正的,而被压缩的一面的电势是负的,被压缩表面总电势的最大值为%m ax =-1#!1&0+&+!F Y [e 33-2(1+v)e 13-2ve 33]1a ,(19)其中:&0为真空介电常数;&+为相对介电常数;Y 为弹性模量;F =k A m 为作用在纳米线顶端的侧向力;e 33,e 13,e 33为压电常数;v 为Poisson 比率;a 为纳米线半径.由此可看出在纳米发电机中,当一根随机摆动的纳米线与上部电极相接触时,相当于一个电动势E =2|%ma x |的瞬时电源.图2许多并联的瞬时电源同时向负载放电下面计算由ZnO 纳米线的随机振动所导致的纳米发电机输出的直流电流的数量级范围,由于纳米线的数量很大,因而将有许多纳米线同时与上部电极接触,这就相当于许多相同的电源并联而同时向负载放电,如图2所示.这样就会大大减小电源的内阻而增大输出电流,设有n 根纳米线同时与上部电极接触,这样等效电源的内阻为R =R I n,其中R I 是单根纳米线电阻.根据文献[5]的数据,ZnO 纳米线的电阻率=10-2~101!cm,因此,对于一根半径为25nm,长为600nm 的ZnO 纳米线,其电阻最大也只有30.5M .由(18)~(19)式以及文献[9-10]所提供的数据,取作用在纳米线顶端侧向力F =5nN,可算出|%ma x |=17.5mV ,如果纳米线总数为1000根,并取A m /=1,在这种情况下,这1000根随机摆动的纳米线中,同时与上部电极相接触的纳米线数n #210,利用这些数据可计算出由这1000根随机摆动的纳米线所引起的纳米发电机直流输出电流大小为240.8nA,如果还保守一点,把纳米线的电阻还增大10倍,则输出的直流电流仍然可达24nA.按目前的实验水平,测量出这样大小的电流是毫无困难的.按照文献[7]的方法,把纳米发电机串联和并联起来,则这种集成化的纳米发电机将会向外输出更大的电流和电压.4讨论(1)笔者研究了纳米发电机的发电原理,并计算了随机振动噪声所引起的纳米发电机直流输出电流的大小,按目前的实验水平,只要这种无序振动能量达到了纳米尺度,就可以借助王中林小组发明的纳米发电机,从这些无序的振动能量中提炼出有序能量.(2)不仅可以利用随机振动噪声来驱动纳米发电机发电,还可利用物质的放射性衰变粒子所引起的随机振动来驱动纳米发电机发电.比如放射(粒子的物质,自发放射出1个(粒子的能量大约为10MeV,即约为10-12J 的能量,如果(粒子打在ZnO 纳米杆上,就会把能量传递给纳米杆而让纳米杆振动起来,从而带动纳米发电机向外输出电能.而按目前的实验水平来讲,只要纳米杆的振动能量达到10-17J,纳米发电机就能向外输电;因此,用纳米发电机来制造核电池是一个较理想的设想.纳米发电机纳米杆热振动的能量,是否也能带动纳米发电机发电呢?为此,做一个数量级估计.首先计算在常温下,纳米线作热摆动的能量,根据能量均分定理,纳米线热摆动的平均能量为T =)T =21,如果纳米发电机中有大量的纳米线,则根据统计理论不难得知,会有不少纳米线的热摆动能量将大于平均热摆动能量,因此在以下的计算中,以平均能量的倍作为热摆动能量的计算标准,即以=T =作为热振动能74吉首大学学报(自然科学版)第31卷w 4.1410J 10w 10w 4.1410-20J量的标准.根据文献[10]提供的数据,对于一个半径为25nm,长l=600nm 的ZnO 纳米线,弹性模量Y =29GPa,k=15.3Y I l 3#0.63N/m,这样,由(15),(16)式,可计算出w=10w T =4.1410-20J 的热摆动能量,相当于作用在纳米线顶端的侧向偏离力F =2kw #0.23nN,这样的一根纳米线被压缩表面所产生的最大负电势%m ax #- 3.6mV.热摆动的能量比目前实验水平还小3个数量级,但随着实验水平的提高.参考文献:[1]JAVEY A,GUO J,WANG Q,et al.Ballistic Carbon Nanotube Field Effect Tr ansistors [J].Nature,2003,424:654-657.[2]LI Y,QIAN F ,XIANG J,et al.Nanowire Electronic and Optoelect ronic Devices [J].M ater.Today,2006,9:18-27.[3]TI AN B.Coaxial Silicon Nanowires as Solar Cells and Nanoelectr onic Power Sour ces [J].Nature,2007,449:885-890.[4]P AR ADISO J A,STARNER T.Energy Scavenging for Mobile and Wireless Elect ronics [J].Pervasive Comput,2005(4):18-27.[5]WANG Z L,SONG J H.P iezolectr ic Nanogener ator s Based on Zinc Oxide Nanowire Arr ays [J].Science,2006,312(5771):242-246.[6]WANG X D,SONG J H ,LIU J,et al.Dir ect Curr ent Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves [J].Science,2007,316(5821):102-105.[7]WANG X D,LIU J,SONG J H,et al.Int ergrated Nanogener ator s in Biofluid [J].Nano Lett.,2007(7):2475-2479.[8]QIN Y,WANG X D,WANG Z L.Microfibr e Nanowire H ybr id Str ucture for Energy Scavenging [J].Natur e,2008,451:809-813.[9]GAO Y F ,WANG Z L.Electrost atic P otential in a Bent P iezoelectr ic Nanowir e [J].Nano Lett.,2007,7:2499-2505.[10]SONG J H,WANG X D,RIEDO E,et al.Elastic P ropert y of Ver tically Aligned Nanowir es [J].Nano Lett.,2005(5):1954-1958.Nano generator Driven by Stochastic VibrationsRefining Order fr om Disor derLi De jun(College of Physics Science and Infor mation Engineer ing,Jishou University,Jishou 416000,H unan China)Abstr act:Tthe pr inciple of the direct current nano gener ator driven by ultrasonic waves is studied.It is shown that the nanogenerator is a wonder ful disor der energy har vester,it can convert nanoscale r andom minor mechanical energy into electrical energy;in other words,it is a wonderful device that can convert mess into order and r efine order from disor der.T he direct cur rent value of the nano gener ator caused by stochastic vibrations noise is also calculated.U nder certain conditions,the direct current value of the na nogenerator can achieve the level of 240nA,which can be measured by experiment.Key words:nano generator;stochastic vibration;disorder energy harvester(责任编辑陈炳权)75第4期李德俊:由随机振动所驱动的纳米发电机。
压电纳米发电机的制备与应用
压电纳米发电机的制备与应用在日常生活中，我们经常用到各种电子设备，如手机、平板电脑、笔记本电脑等，这些设备都需要一定的电能供应才能正常工作。
但是，电池、充电宝等现成的电源有着容量限制和使用寿命限制，为了解决这一问题，科学家们开始研究利用环境能量来驱动电子设备，其中压电纳米发电机就是一种较为重要的技术。
本文将从压电纳米发电机的原理入手，探讨其制备方法和应用前景。
一、压电纳米发电机的原理压电效应是指在某些晶体中，施加机械力时会出现电荷分布不均匀的现象。
这是因为这些晶体在外力的作用下会产生微小的形变，而这种形变又会导致晶体中的正负电荷的位置发生变化，从而产生电荷的分布不均匀，形成电势差。
将这些晶体制成微型机械结构，并将其与导电线相连接，当外界施加压力时，就能够产生微小的电流，从而驱动微型设备。
二、压电纳米发电机的制备方法压电纳米发电机的制备方法有很多种，其中比较常见的方法有以下几种：1、先进的微电子加工技术。
将铁电或压电材料沉积在微电子或纳米电路上，然后形成具有压电效应的元件。
2、生物合成法。
人类和许多其他生物体天然具有良好的压电机制，通过模仿这些过程来制备绿色、廉价的压电材料。
3、柔性功能纤维的制备。
柔性纤维具有压电性能，可以用于纺织压电材料。
三、压电纳米发电机的应用前景压电纳米发电机具有非常广阔的应用前景，在如下几个领域尤为明显：1、自供电嵌入式传感器网络。
将压电纳米发电机嵌入于传感器网中，能够在无需人工干预的情况下为其提供电力，实现长时间封闭运行。
2、运动追踪、电力收集和储存。
将压电纳米发电机附着在人体或其他有机体上，运用压电效应通过运动或其他机械能收集电力，用于身体功率监测、健身器材和智能医疗设备的供电。
3、智能家居和物联网。
正在迅速发展的智能家居和物联网需要更多的小型电源，而压电纳米发电机则为其提供了组成的可能。
综上所述，压电纳米发电机作为一种新型的纳米发电技术，具有良好的应用前景。
通过不断的探索和发展，相信它将会给我们带来更加便利的生活和工作方式。
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ZnO NW arrays grown on patterns evaporated with 10 nm Cr at an angle of θ=70° in reference to the substrate normal.
SICCAS
Preparation
Au Al0.5Ga0.5N AlN
c-planeoriented sapphire
Wang X. D.,Song J. H.,et al(2005)."Growth of Uniformly Aligned ZnO Nanowire Heterojunction Arrays on GaN, AlN, and Al0.5Ga0.5N Substrates",Journal of American Chemical Society,127:7920-7923
SICCAS
Preparation
The orientation of the nanowires follows the surface curvature of the pattern at the end.
S., Y. Shen, et al. (2010). "Growth and Transfer of Monolithic Horizontal ZnO Nanowire Superstructures onto Flexible Substrates." Advanced Functional Materials 20(9): 1493-1495.
Advantage
1. Any substrates can be used for the lateral growth of ZnO NWs with this method.
2. The growth temperature(<100℃) is so low that the method can be applied to a wide range of substrates.
clean
spin coat photoresist
Optical lithography
pattern
Magnetron sputtering
deposit 300 nm ZnO and 10 nm Cr
Qin, Y., R. S. Yang, et al. (2008). "Growth of Horizonatal ZnO Nanowire Arrays on Any Substrate." Journal of Physical Chemistry C 112(48): 18734-18736
Yang, R., Y. Qin, et al. (2009). "Converting Biomechanical Energy into Electricity by a MuscleMovement-Driven Nanogenerator." Nano Letters 9(3): 1201-1205.
SICCAS
Preparation
Step 2: growth of laterally aligned NWs
Put the substrate into growth solution and aged for 12 h at 80 ℃
solution
Zn(NO3)2 and HMTA in the solution were both 0.0025 mol/L
SICCAS
16 LOGO
SICCAS
Preparation
2. Solution Growth Method
Two materials : ZnO seeds and a Cr layer
Step 1: fabricate a ZnO strip pattern covered with Cr at the top. (100) Si wafer
Step 2: Growth of ZnO NWs
Zn+O2
substrate
Au
ZnO
SICCAS
Preparation
Advantage
1. Simple, Mature and widely used. 2. Fit for preparing NWs with good dispersion.
SICCAS
Operational Principle
Experimental setup
Potential distribution
Wang, Z. L. and J. H. Song (2006). "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays." Science 312(5771): 242-246
Wang, Z. L. and J. H. Song (2006). "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays." Science 312(5771): 242-246
SICCAS
Introduction
Research Significance The efficiency of the NW-based piezoelectric power generator is estimated to be 17 to 30%. This approach has the potential of converting mechanical, vibrational, and/or hydraulic energy into electricity for powering nanodevices. Achievements
3. Control growth orientation
SICCAS
Outlook
High out voltage
Novel nanostructure
SICCAS
Outlook
Harvest the energy produced by acoustic waves, ultrasonic waves, or hydraulic pressure/force
SICCAS
Operational Principle
Reverse- and forward-biased Schottky rectifying behavior
SICCAS
Operational Principle
Principle Application
SICCAS
Preparation
SICCAS
Introduction ZnO
Piezoelectric Semiconducting
Biosafe Biocompatible Biomedical applications with little toxicity
Most diverse and abundant configurations of nanostructures
2
3 4
SICCAS
Introduction
Nanogenerator
Convert nanoscale mechanical energy into electrical energy by means of piezoelectric zinc oxide nanowire (NW) arrays.
SICCAS
Preparation
Step 2: Growth of ZnO NWs
O2
Furnace
Thermal couple
View window
Alumina tube Ar+O2 ZnO + Graphite(950℃） Substrate（880℃）
Ar
To pump
SICCAS
Preparation
16 LOGO
Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays
Members: 刘才 刘秉龙 李龙 龙胜 董伟
Contents
1
Introduction Basic Principle Preparation Outlook
Vapor-Liquid-Solid (VLS) Process
1
Preparation
2
Solution Growth Method
SICCAS
Preparation
1.Vapor-Liquid-Solid (VLS) Process
Step 1: Fabrication of substrate