基于氧化锌纳米棒的柔性压电纳米发电机研究

摘要

ZnO是禁带宽度为3.37 eV的直接带隙半导体，激子束缚能达60 meV，这些优秀的性能使之在电学与光学器件，电化学和机电装置等领域都有很广泛的应用。在这其中，ZnO具有的半导体和压电耦合特性，使其成为制备压电器件的重要材料。自2006年王中林小组提出压电电子学的概念起，基于ZnO纳米结构的压电纳米发电机逐渐成为人们的研究热点。研究者们以蓝宝石、氧化铟锡(ITO)、纤维等材料为衬底，制备了多种不同结构的压电纳米发电机。这些纳米发电机将生活中的超声波振动能、人体运动能、风能等多种形式的机械能转化成为电能。
　　本文以低温水溶液法生长ZnO纳米棒为基础，制备了两种结构新颖的柔性压电纳米发电机。主要的研究成果如下:
　　在涂有氧化铟锡薄膜的柔性衬底(ITO-PET)上通过两步低温水溶液法制备ZnO纳米棒和CuO纳米花组成的异质结结构。通过扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射(XRD)，X射线能谱仪(EDS)对生长样品的形貌和结构进行了表征。结果表明，ZnO纳米棒致密地生长在衬底上并具有六角纤锌矿结构，CuO纳米结构呈花朵状并且具有很高的纯度。
　　制备出基于CuO-ZnO异质结的柔性纳米发电机并收集环境中的能量。利用Keithley4200半导体分析系统对纳米发电机的电学特性进行了测量。发电机具有良好的整流特性，并且表现出较强的发电性能。与基于ZnO纳米棒的普通纳米发电机相比，基于CuO-ZnO异质结的纳米发电机具有更高的输出电流，约为100 nA。这主要是因为pn结的存在降低了ZnO体内载流子对压电电势的屏蔽效应。这项研究提出了一种具有新型结构的性能增强型柔性纳米发电机的制备方法，具有重要的研究意义。还提出一种操作简单，成本低廉的方法制备基于Cu2O-ZnO pn结的柔性纳米发电机。发电机以铜线为衬底，外部包裹着镀有金膜的纸电极，整个器件可以在外力的作用下将机械能转化为电能。经测量，这种纳米发电机的输出电压和输出电流分别可以达到42 mV和400 nA。这主要是因为Cu2O-ZnO pn结的存在降低了ZnO纳米棒体内的载流子浓度以及外部柔软的纸电极增加了参与发电的ZnO纳米棒数目。实验表明，这种新型压电纳米发电机在纳米器件供电上具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 压电纳米发电机的研究背景

1．1．1 压电效应

1．1．2 第一代压电纳米发电机的提出

1．1．3 压电纳米发电机的工作机制

1．2 压电纳米发电机的研究现状

1．2．1 直流式压电纳米发电机

1．2．2 交流式压电纳米发电机

1．3 本论文的研究内容

2 ZnO纳米结构的研究

2．1 ZnO的基本性质

2．2 ZnO纳米结构的功能特性

2．2．1 力学性质

2．2．2 光学性质

2．2．3 压电性质

2．2．4 气敏性质

2．3 ZnO纳米结构的生长方法

2．3．1 水溶液法

2．3．2 热蒸发法

2．3．3 磁控溅射法

2．3．4 化学气相沉积(CVD)法

2．3．5 模板法

2．4 ZnO纳米结构的表征

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 X射线衍射(XRD)

2．4．3 光致发光谱(PL谱)

2．4．4 X射线能谱分析(EDS)

2．5 本章小结

3 低温水溶液法生长CuO-ZnO纳米异质结结构

3．1 引言

3．2 ZnO纳米棒的制备

3．2．1 籽晶的制备

3．2．2 ZnO纳米棒的生长

3．3 CuO纳米结构的生长

3．4 CuO-ZnO异质结的表征

3．4．1 表面形貌

3．4．2 晶体结构

3．4．3 晶体成分

3．5 CuO-ZnO异质结的生长机理

3．5．1 ZnO纳米棒的生长机理

3．5．2 CuO纳米结构的生长机理

3．6 本章小结

4 基于CuO-ZnO异质结的柔性纳米发电机

4．1 引言

4．2 器件制备

4．3 纳米发电机的Ⅰ-Ⅴ特性

4．4 纳米发电机的发电性能

4．4．1 测量装置

4．4．2 发电信号测量与分析

4．5 本章小结

5 基于Cu2O-ZnO异质结的柔性纳米发电机

5．1 引言

5．2 基于Cu2O-ZnO异质结的纳米发电机的制备

5．2．1 Cu2O-ZnO pn结的合成

5．2．3 压电纳米发电机的制备

5．2．4 表征手段

5．3 表征与结果分析

5．3．1 表面形貌

5．3．2 晶体结构

5．3．3 光学特性

5．4 纳米发电机发电性能测试与分析

5．4．1 基于Cu2O-ZnO异质结的纳米发电机的发电性能

5．4．2 发电机输出性能提高的原因分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢