一种层状半导体-半导体动态PN结直流发电机及其制备方法

摘要

本发明公开了一种层状半导体‑半导体动态PN结直流发电机及其制备方法。该直流发电机主要由一种层状半导体和另一种半导体组成，因两种半导体材料费米能级不同，在两者接触面形成一个PN结，滑动时两种半导体材料之间产生的动态PN特性，即滑动时，直流发电机结区内PN结扩散电流和漂移电流平衡被打破，在内建电场作用下漂移电荷被弹回，产生持续不断的直流电输出；该发电机可将机械能转化为高密度电能输出，提供给各类电子设备和产品。与传统的电磁感应发电机、纳米发电机相比，该直流发电机电流密度极高，发电电压高，可以应用于各类便携可穿戴电子设备，可重复利用，结构简单、成本低，易于工业应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状半导体-半导体动态PN结直流发电机及其制备方法，属于新型绿色可再生能源获取技术领域。

背景技术

当今时代，智能科技高速发展、电子产品日新月异。在人们越来越享受现代社会带来高效便捷的同时，也饱受环境污染与能源危机带来的困扰。二十世纪以后，人类对可再生清洁能源的探索从未松懈。除了大众所熟悉的太阳能发电、风能发电、潮汐能发电等传统绿色能源发电外，纳米发电机凭借其新颖性、可便携性等优势成为研究领域和应用层面冉冉上升的一颗新星。已有的发明和应用中，纳米发电机可将风能、机械能、潮汐能等自然界中的绿色能量转化为电能输出，从而代替传统锂电池为电子器件供电。纳米发电机的运行不受环境因素限制，未来大面积推广下可有效减少环境污染、缓解能源危机。

压电发电机自2006年提出后广受关注，摩擦发电机自2012年进入视野后也是飞速发展。但这两类发电机仍难以实现大规模推广，除了因为电流及功率较低、输出的是交流电信号外，还受其材料、结构及工作原理等所限。本发明所阐述的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机利用两种费米能级不同的半导体材料之间相互接触移动，产生直流电输出，不受环境因素影响，减少了对材料、结构及工作原理的限制。两种半导体在接触面形成一个PN结，结区有强大的内建电场，滑动时可输出高功率密度的电信号。半导体上制有绝缘层，可提高电压。此外，层状半导体在滑动时，阻力小，不会在另一种半导体材料上产生划痕，因而半导体材料可重复利用，产生连续的直流电输出。整个器件结构简单，制备工艺成熟，发电机工作稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状半导体-半导体动态PN结直流发电机及其制备方法。

本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机由两部分组成，一部分为一种半导体层，在其背面制有第一电极，正面制有一层绝缘层；另一部分为费米能级不同的另一种层状半导体层，在其一侧制有第二电极，第一种半导体层的正面与第二种半导体层的无电极侧相互接触并相对滑动，即形成动态的PN结直流发电机。

上述技术方案中，所述的第一种半导体层为硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)、氧化锌(ZnO)、锗(Ge)、氮化硅(Si3N4)、碲化镉(CdTe)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)等半导体材料中的一种，且两种材料的费米能级不同。

所述的第二种层状半导体层为二硫化钼(MoS₂)、黑磷(P)、二硒化钨(WSe₂)、二碲化钼(MoTe₂)、片状石墨(Graphite)、二硒化钼(MoSe₂)、二硫化钨(WS₂)>

所述的绝缘层是二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等绝缘材料中的一种，厚度不超过500nm。

所述的第一电极与第二电极均选自金(Au)、钯(Pd)、铜(Cu)、银(Ag)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铂(Pt)和铝(Al)中的一种或者几种，厚度为1-500nm。

所述的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，可以将风能、潮汐能、机械能、海洋能等中的一种转换为电信号。

所述的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，产生的电信号为直流电信号，且电流密度极高，比其他纳米发电机高几个数量级。

制备上述的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在第一种半导体层背面制作第一电极；

2)在制作好第一电极的半导体层的正面生长一层绝缘层；

3)在第二种层状半导体层背面制作第二电极；

4)将第二种层状半导体层正面压到第一种半导体层绝缘层上接触并滑动，得到一种层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，在滑动过程中，即可产生直流电信号。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

传统的纳米发电机需使用压电半导体材料，且需要外加整流电路将交流电信号转化为直流电信号；而本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机不需要使用压电半导体材料，且可直接输出直流电信号给外部电路供电。层状半导体在滑动时，阻力小，不会产生划痕，因而半导体材料可重复利用，产生连续的直流电输出。本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机结构简单、制作工艺成熟、器件工作稳定，可连续输出电流密度高、电压高的直流电信号。

附图说明

图1为层状半导体-半导体动态PN结直流发电机的结构示意图；

图2为基于MoS₂/P型硅动态PN结的直流发电机的能带图；

图3为基于MoS₂/P型硅动态PN结的直流发电机的电流电压输出随时间变化图；

图4为基于MoS₂/P型硅动态PN结的直流发电机的电流电压输出随压力速度的变化图；

图5为基于MoS₂/5nm氮化铝/P型硅动态PN结的直流发电机的电流电压输出随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，先在第一种半导体材料层1背面制作第一电极2，正面生长一层绝缘层3；再在第二种费米能级不同的层状半导体材料层4背面制作第二电极5；之后将第一种半导体材料层1绝缘层一面压到第二种半导体材料层4正面上形成可移动的相互接触，即得到层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，两种半导体层之间相互移动即可得到直流电输出。本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，在两者接触面形成一个PN结，结区有强大的内建电场；在两者接触面形成一个PN结，结区有强大的内建电场；当层状半导体在另一种半导体上滑动时，结区内PN结扩散电流和漂移电流平衡被打破，在内建电场作用下漂移电荷被弹回，产生持续不断的直流电输出。本发明的层状半导体-半导体动态PN结直流发电机可将机械能转化为高密度电能输出，提供给各类电子设备和产品。与传统的电磁感应发电机、纳米发电机相比，本发明所阐述的发电机电流密度极高，且绝缘层可以提高发电电压。而层状半导体在滑动时，阻力小，不会产生划痕，因而半导体材料可重复利用，产生连续的直流电输出。所需工艺流程和器件结构简单、成本低，未来可实现工业应用。

实施例1：

1)在P型掺杂的硅片上制作背电极，材质为50nm银电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的硅片正面不生长绝缘层；

3)在二硫化钼上制作背电极，材质为50nm银电极；

4)将二硫化钼压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，产生电信号。

所述的二硫化钼/P型硅动态PN结直流发电机，是将二硫化钼压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体-半导体动态PN结直流发电机。二硫化钼/P型硅的PN结直流发电机的能带图如图2所示，电流、电压输出随时间变化图如图3所示。可见半导体材料可重复利用，产生了稳定连续的直流电输出。此外，我们分别改变滑动速度以及压力，发现输出的电流电压也随之发生变化，如图4 所示。在一定范围内，滑动速度越大，电流、电压也越大。在到达临界值之前，压力越大，电流、电压越大；而达到某一临界值之后，电流、电压随压力的增大而减小。电压最高可达1.0V，电流最高可达9μA。

实施例2：

1)在P型掺杂的硅片上制作背电极，材质为50nm钛/金电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的硅片正面生长一层5nm的AlN作为绝缘层；

3)在二硫化钼上制作背电极，材质为50nm钛/金电极；

4)将二硫化钼压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，产生电信号。

所述的二硫化钼/AlN/P型硅动态PN结直流发电机，将二硫化钼压在生长了一层5nm氮化铝的P型硅片上，接触并相互移动即可输出电信号。其电压、电流输出随时间变化图如图5所示，可以发现增加绝缘层后，电压明显大幅提升，最高可达5V。

实施例3：

1)在P型掺杂的砷化镓片上制作背电极，材质为80nm钛/金电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的砷化镓正面生长一层20nm的二氧化硅作为绝缘层；

3)在黑磷上制作背电极，材质为80nm钛/金电极；

4)将黑磷压在P型掺杂的砷化镓上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体- 半导体动态PN结直流发电机，产生电信号。

实施例4：

1)在P型掺杂的氮化镓片上制作背电极，材质为80nm银电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的氮化镓正面生长50nm的氧化铝作为绝缘层；

3)在二硫化钨上制作背电极，材质为80nm银电极；

4)将二硫化钨压在P型掺杂的氮化镓上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体-半导体动态PN结直流发电机，产生电信号。

实施例5

1)在N型掺杂的氧化锌片上制作背电极，材质为80nm银电极，然后将得到的样品先放入丙酮溶液中清洗，倒掉清洗液后再用异丙醇溶液去除残余的丙酮，最后用去离子水冲洗后取出吹干；

2)在N型氧化锌正面生长100nm的氧化铝作为绝缘层；

3)在鳞片石墨上制作背电极，材质为80nm银电极；

4)将鳞片石墨压在N型氧化锌上，接触并相互移动即可得到一个层状半导体- 半导体动态PN结直流发电机，产生电信号。

经大量实验研究发现，本发明的直流发电机中绝缘层的厚度最佳范围为5-100nm，当绝缘层厚度过厚时载流子无法通过，绝缘层太薄则势垒高度增加有限。适当的绝缘层厚度可以大大提高发电机的输出电压，并且有限德降低电流输出。