纳米发电机-

纳米发电机
摘要：随着纳米科技的不断发展，纳米材料的制备工艺越来越丰富，在纳米尺度上对材料形貌的控制已经成为可能。

从而基于这些纳米材料的纳米电子器件也不断被发明和创造。

本文主要介绍了王中林课题组利用氧化锌纳米线阵列，制备纳米发电机的过程和原理，并介绍其潜在应用价值。

关键词：纳米科技；氧化锌纳米线；纳米发电机
一引言
1959年物理学家理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

即我们现在所说的纳米科技。

纳米科学技术是集固体物理、原子、分子物理学和化学的交叉学科，是以包含可数原子的单元或结构为研究对象，研究其中物质的性质、作用和变化规律，并利用这种单元尺寸（纳米尺度）的变化以及控制它们之间的结合方式，从而合成或组成具有独特性质的纳米结构材料或器件[1]。

纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组装生长及分子合成技术等[2]，设计制备而成的具有纳米级（1-100nm）尺度和特定功能的电子器件。

目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件、单电子晶体管、单电子存储器、单电子逻辑电路、纳米硅微晶薄膜器件和聚合体电子器件等[3]。

然而，纳米技术发展到目前，大量的研究都集中于开发高灵敏度，高性能的纳米器件，关于纳米尺度的电源系统研究还很少见，但是应用于生物及国防等方面的纳米传感器对这种电源系统的需求却与日俱增。

例如，无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控，生物活体探测等，都具有重大的意义。

任何生物体内置的无线传感器都需要电源，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。

然而，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，这是人们一直所梦寐以求的事情。

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[4]。

二纳米发电机简介及其原理
2006年，美国Science 周刊报道了王中林课题组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[5]。

这一重大发现开启了纳米科学和技术的新篇章。

这种纳米发电机是在具有竖直结构的氧化锌纳米线的基础上研制而成的。

他们通过用导电的原子力显微镜探针将竖直的氧化锌纳米线弯曲，输入机械能。

同时，氧化锌纳米线的压电效应使电荷产生极化，将机械能转化成为电能，图一为该压电式纳米发电机示意图。

由于氧化锌的半导体特性，用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内，然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，并向外界输电，从而实现了纳米尺度的发电功能。

图一纳米发电机示意图
选着氧化锌纳米材料的原因主要有三个：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础；其次，ZnO的生物安全性和生物相容性相对要高，能够应用在医学方面；最后，在目前已知的纳米结构中，ZnO的种类最多，如纳米线、纳米带、纳米条、纳米环、纳米螺旋结构等。

ZnO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有密切相关。

常规的压电材料，例如PZT等，通常为绝缘体。

尽管将它们在弯曲或压缩情况下也能产生电势变化，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垒，因而无法实现电荷积累到释放这一转变过程。

因此，虽然目前有部分研究利用常规压电材料作电源，但都需要一个复杂的外接电路来实现电荷的积累，很难达到器件真正的微型化。

更重要的是，常规压电材料由于化学成分及晶体结构较复杂，很难合成出高质量的具有纳米尺度的结构。

因此，高的输出功率只能通过增加尺寸和外界作用力来实现，而无法实现小尺寸与大功率的有机结合。

相反，氧化锌作为一种新型半导体压电材料，具有比较简单的化学成分，并能较好地控制其纯度、尺寸、形貌以及晶体结构。

这为大功率的纳米发电机的开发提供了重要的物质基础。

纳米
线的直径很小，一般不到100nm，但其长度却可以达到几个微米。

极大的纵横比使得在很小的作用力下，便能将氧化锌纳米线弯曲，从而产生电势差。

因此，只要能实现大量竖直纳米线在较小作用力下连续进行弯曲—伸直这一过程，具有较大输出功率的纳米发电机就有可能得以实现。

他们在实验中所使用的ZnO纳米线阵列是在蓝宝石衬底上，以金为催化剂，通过气-液-固（VLS）机制生长，纳米线沿[0001]方向生长。

实验中，用镀金属铂( Pt)的硅针尖通过AFM进行测量，针尖的锥形角是70°。

针尖沿ZnO纳米线的顶端扫描，针尖的高度通过纳米线的表面形貌和接触的作用力来调整，室温下纳米线的热振动可以被忽略。

为了使纳米线底部导电，用银胶镀层将基底表面的ZnO薄膜与测量电路相连接。

当针尖扫过纳米线时，通过一个外部负载RL = 500MΩ的电阻，可以检测到连续的输出电压信号。

示意图如图二所示。

图二纳米发电机发电原理示意图[5]
图中，( a) 为蓝宝石衬底上的ZnO纳米线阵列的SEM图像；(b)ZnO纳米线的TEM图像，表示没有金颗粒存在的纳米线和顶端有一个很小的金颗粒存在纳米线的典型结构。

(c) 通过一个导电AFM针尖使一根压电纳米线弯曲产生电流的实验装置以及实验过程。

纳米线的底部接地，外加一个负载RL，RL 的电阻值比纳米线的电阻R I 大得多，AFM以接触模式沿纳米线阵列扫描。

产生压电放电能量的物理原理来自ZnO的压电性质和半导体属性的耦合。

一根垂直的直立ZnO纳米线被AFM针尖挤压产生一个应变场，外表面被拉伸(正的应力ε)，内表面被压缩(负应力ε)，在纳米线两侧就形成了电势差，由于纳米线底部是金属银和半导体氧化锌的连接，形成了欧母接触，而针尖上白金和半导体氧化锌的接触形成了肖特基势垒。

正是由于这一设置，加上单晶氧化锌纳米线独特的压电性能，使得被弯曲拉长的氧化锌纳米线一面所产生的正偏压电能不能
释放，实现了电荷的分离和电荷积累。

当原子力显微镜的探针继续扫过纳米线顶部到纳米线被压缩部分时，由于压缩部分的氧化锌纳米线一面是负电压，积累的压电电荷得到释放，为外电路输出电流。

三纳米发电机的意义及应用前景
纳米发电机在纳米科技发展过程中具有重要的意义：
第一，它首次实现了半导体和压电体双重性能的耦合，为探索该过程中的物理机制奠定了基础；
第二，它的出现为从纳米器件飞跃到纳米系统提出了具体的技术路线。

纳米器件的研究与开发是当今纳米技术最前沿的领域。

纳米器件具有尺寸微小(纳米量级) 、功耗小、灵敏度高等宏观器件所不完全具备的独特优势。

然而，目前为这些先进的纳米器件供电的依然是常规的宏观电源，这就阻碍了器件的小型化。

纳米发电机的发明提出了解决纳米技术中这一极其要害问题的方案，它使得纳米器件的能量供给系统与工作系统同时都能达到纳米量级，从而保持了自备电源的完整、纳米器件系统的微小、可体内植入等特性；
第三，纳米发电机不仅为实现整个纳米器件工作系统的真正小型化奠定了原理基础，同时还能有效地收集生物体内甚至自然界中一直被忽略的微量运动机械能来满足纳米器件正常运转所需的能量。

该能量回收过程将有重大的应用前景；
第四，氧化锌具有独特的生物可降解性和生物相容性，它可以被用于人体内的传感和微系统，这是氧化锌所具有的非常独特的性能。

纳米发电机在生物医学领域同样具有重要的应用价值。

生物体的各种运动能产生或多或少的能量，以人为例，人体内血压的变化、血液的流动、肌肉的伸缩、等均能带动纳米发电机上细小的纳米线来回弯曲，从而产生电能。

而这些电能则可以直接供给植入人体的其他器件，如心脏起勃器或是其他原位探测传感器等使用。

由于能量的来源是人体本身的运动，这种电源无需更换，从而可以大大减低患者的痛苦并降低医疗成本。

四总结
纳米发电机是一种新型的自供能量的纳米技术，它运用独特的方式，可以从人体内或外界环境中收集能量，提供给纳米器件和系统。

纳米发电机为实现自供能、无线纳米器件和纳米机器人奠定了理论与实际操作的基础。

然而，要实现纳米发电机的实际应用仍有一段很长的路程要走。

还有很多问题亟待解决，如纳米线的疲劳和寿命问题，纳米发电机如何有效地把流体能和声波能转换为电能，纳米发电机的封装问题以及它和生物体的相互作用等等。

我们期待早日解决这些问题，不断完善纳米发电机制备技术，使之在我们日常生活、生物医学、国防军事中得到广泛应用。

参考文献：
[1] 杜磊，庄奕琪. 纳米电子学［M］. 北京：电子工业出版社，2004
[2] 盛柏桢. 纳米技术与器件的应用［J. 电子元件应用，2002, 4: 1-4
[3] 程开富. 纳米光电子器件初露端倪［J］.世界产品与技术，2003, 6: 29-32
[4] 王中林. 压电式纳米发电机的原理和潜在应用[J]. 物理, 2006, 35(11): 0-0.
[5] Wang Z L, Song J. Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J]. Science, 2006, 312(5771): 242-246.。