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
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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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