1、纳米发电机（Nanogenerator）,一、前言,纳米发电机是一种将微小物理变化引起 的机械能/热能转换成电能的技术装置 。 纳 米发电机目前有3种典型的技术路径：压电式、摩擦电式以及热释电式。其中，压电 纳米发电机和摩擦电纳米发电机能够将机械能转换成电能 。而热释电纳米发电机是 将收集的温度随时间波动的热能转换成电 能 。 发明者：王中林 教授,二、纳米发电机 2.1 压电式纳米发电机 2.2 交流纳米发电机 2.3 热释电纳米发电机 2.4 摩擦电纳米发电机,2.1.1、定义,2.1 压电式纳米发电机,压电纳米发电机的工作原理可以以两种不 同的情况进行解释，一是当外力垂直于纳米线的轴直立
2、式直流纳米发电机，另一种是外力平行于纳米线的轴水平式交流纳米发电机 。,2.1.2 组成和原理,2.1.3 性能及应用,2.1.4 现状及发展前景,2006年，在原子力显微镜的帮助下，王中林小组利用竖直结构的氧化锌（ZnO）纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置压电直立式纳米发电机。在此基础上，他的研究小组在2007年和2008年初，发明了超声波驱动的直流纳米发电机和纤维纳米发电机。,在这些直立式发电机中，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
3、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，从而进一步实现机械能到电能的转化、整流和输出。,“尽管这类发电机取得了巨大的成功并衍生出基于不同衬底的模型，直立式发电机的进一步发展仍面临一些困难亟须解决。”王中林说：“一个挑战来自于驱动电极与氧化锌纳米线距离的精确控制，少量的误差就会造成发电机不能正常工作。另外，直立式发电机工作时自由端和驱动电极要不断接触和摩擦，由此可能造成纳米线和电极的磨损，进而影响纳米发电机的性能和寿命。”,为了解决直立式纳米发电机的问题，王中林想到了能否用封装的水平式氧化锌线实现机械能到电能的转化。为此，他尝试了各种设计方案并进行了大量实验，历经近两年终于发明
4、了封装型交流纳米发电机，并有效克服了直立式发电机的设计缺陷。,2.2 交流纳米发电机,在这一新型交流纳米发电机中，氧化锌线水平放置于弹性高分子衬底上，其两端分别连接输出电极并固定在衬底上。由于衬底厚度比氧化锌线的直径大得多，当弹性衬底变形弯曲后，氧化锌线整体被拉伸或整体被压缩。在压电效应的作用下，压电电场沿着氧化锌线轴向建立并在两端形成电势差。由于在一端有肖特基势垒的存在，此压电电势差随着氧化锌线的来回弯曲从而驱动了电子在外电路中的往复流动，因此对外接器件产生了交变电流。,当交流纳米发电机工作时，氧化锌线起到的“电容”和“电荷泵”的作用，不断将机械能转换为电能，从而实现从环境中获取能量并有效输
5、出。单根氧化锌线所给出的最多电压可达到50毫伏。如果不考虑基片的能量损耗，就氧化锌线而言，发电效率可达7%。,王中林说，与直立式纳米发电机相比，交流纳米发电机在许多方面有重大突破。在交流纳米发电机中，氧化锌线被固定在衬底上，避免了与电极的摩擦，从而提高了发电机的稳定性和寿命；更重要的是，电极与氧化锌线间隙大小的苛刻要求在此新型发电机中不复存在，因此降低了发电机的制造工艺难度和成本；与纤维发电机相比，交流纳米发电机克服了不可遇水的弊病；如果把大量的氧化锌线集成在同一个衬底上，其输出功率可进一步大幅提高；交流纳米发电机还可以被容易地封装在弹性材料中，这就大大扩展了它的工作环境和应用范围。,压电纳米
6、发电机在外力与其轴平行时的工作原理,垂直生长的纳米线与底端呈欧姆接触，与顶端呈肖特基接触。当施加的外力朝向于纳米线尖端上时，纳米线上会产生单轴的压缩。由于压电效应，纳米线尖端会产生一个负的压电势，从而使尖端的费米能级升高。电子将通过外电路从尖端流向底部，因此，将会在尖端产生一个正电势。肖特基接触将阻 碍电子的界面传输，因此，尖端的电势将会保持。 随着外力的去除，压电效应也随之消失，电子也将 会回流到顶端从而中和尖端的正电势。这种情况将会产生交流电信号。,2.3 热释电纳米发电机,佐治亚理工学院的王中林教授于2012年首次发明了热释电纳米发电机。通过收集废弃的热量作为能源，这种新型的纳米发电机在
7、无线传感器、温度成像、医学诊断以及个人电子产品方面都具有潜在的应用。,热释电纳米发电机的工作原理将分两种不同的情况进行解释：第一热释电效应和第二热释电效应。,热释电纳米发电机被期望能够应用到各种温度随时间波动的地方。一种可行的应用就是用作不需要外界电源而能够工作的自驱动传感器。王中林教授小组在2012年发明了一种利用热释电纳米发电机用作自驱动的温度传感器，这种传感器可以探测温度的变化，响应时间和重置时间分别为0.9秒和3秒。总之，热释电纳米发电机具有输出电压高和输出电流小的特点。它不仅可以作为潜在的电源，也可以作为自驱动传感器来监测温度变化。,目前，大部分热释电材料仍对环境和人类健康危害极大。
8、王中林课题组首次报道了利用无铅的铌酸钾纳米线-PDMS聚合物复合结构制作的一种柔性热释电纳米发电机。这种新型的热释电纳米发电机是对环境友好的绿色器件。要在纳米尺寸下保持温度梯度，来用纳米线制备的温差电器件是很困难的。这种新的发电机制作采用新的思路，利用热释电效应，来收集能量。当温度变化时，铌酸钾纳米线产生自发极化, 外电路将有电流输出。,该课题组的研究结果表明该纳米发电机的输出电压和电流能够被电场控制，并且也随着温度变化率的增大而提高。该小组进一步将该纳米发电机应用于太阳光辐射热量的收集。在光照下，温度从295到298K周期性变化时，输出电压和电流分别达到2.5mV和25pA。当该热释电纳米发
9、电机和太阳能电池做成混合电池，能进一步收集能量。这种新型纳米发电机还具有另外的优点。铌酸钾纳米线生长的方法简单，可实现规模制备。而铌酸钾作为一种优异的铁电材料，适用该纳米发电机的大规模生产。另外，PDMS聚合物可能防止纳米发电机在极化过程中被击穿。因而，这种柔性纳米发电机在将来有希望得到更多的应用。,2.4 摩擦电纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators,TENG),摩擦起电现象几乎存在于任何地方和任何时间，是一种很普遍的、很古老的现象。大概从古希腊时期开始，这个现象就几乎是每个科研工作者，甚至是每个人都知道的物理现象。但是，人们常常认为摩擦起电是一种负面效应，在许
10、多情况下人们都通过各种技术途径来回避摩擦起电。,2012年，美国佐治亚理工学院的王中林教授小组发明了基于摩擦起电效应和静电感应相结合的TENG，这种发电机能够用来将机械能转化为电能。TENG作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。,摩擦电纳米发电机（TENG）是一种简单的、低成本的、结构稳固的、效率较高的收集机械能的途径。TENG的典型结构，是在聚合物材料的背面粘贴片状电极层。两个
11、电极的内表面分别被两种不 同的聚合物材料覆盖，这两种聚合物材料在俘获电子能力方面必须有较大的差异。同时，在没有压力的条件下，两种聚合物材料应该保留自由存在的空隙 。,摩擦电发电机的工作原理图,对于进行接触和产生摩擦电荷的两个材料， 至少一个必须是绝缘体，这样摩擦电荷才不会流走而是保持在绝缘材料的内表面上。因此，在周期性的距离变化过程中，这些不可移动的摩擦电荷能够在外电路中诱导出交变电流 。TENG在机械扰动下产生的电能，其可以用在任何有机械运动的地方。,对于外界压强变化引起的运动和振动，TENG能够有效的输出电 能。因此，TENG可以用作主动传感器来探测微小的压强变化，并能够达到极高的灵敏度，
12、也不依赖于外界的电源。,实例：基于皮肤的TENG的制作和自驱动触觉传感器系统,三、压电电子学和纳米发电机发展前沿,随着纳米发电机的发明和压电电子学、压电光电子学等学科的建立和发展，以自驱动传感系统为核心的纳米技术将在原位人体健康的实时监测，基础设施的监测，环境监测，物联网以及军事技术上有广泛的应用。,为推动压电电子学和纳米发电机领域的深入开展，推动多学科专家的交流与合作，进而推动我国在传感网络技术、人口健康及环境监测等领域的应用，香山科学会议于2012年12 月57日在北京召开了以“压电电子学和纳米发电机发展前沿”为主题的第448次学术讨论会。中科院北京纳米能源与系统研究所王中林教授、中科院半
13、导体所王占国研究员、华中科技大学周军教授和兰州大学秦勇教授担任会议执行主席。国内外多学科、跨领域的50多位专家学者应邀参加了此次会议。与会专家围绕:用于自供能系统的纳米发电机；纳米发电机及其理论；压电电子学和压电电子学和压电光电子学等中心议题进入了学术交流和深入研讨,并提出了相关建议。,3.1 用于自供能系统的纳米发电机 (Nanogenerators for self-powered systems)王中林教授做了题为“纳米发电机和压电电子学-从基础科学到独特应用”的主题评述报告。他指出：发展无线纳米器件和纳米系统对于传感、医疗、环境/基础设施监控、国防乃至个人电子器件来说都是至关重要的，而
14、实现这些无线纳米器件或系统无需电池的自驱动则更是令人向往的。为了给上述微纳系统提供一个自维持的电源，王教授研究团队开发了基于压电效应、摩擦发电效应和热释电效应的纳米发电机。,目前，纳米发电机的输出功率已经足以驱动无线传感系统或为手机充电；纳米发电机已经成为微纳系统和移动便携式电子器件可持续、独立并且免维护运行的关键技术。报告还详细地介绍了压电电子学和纳米发电机的基础理论和新的应用，并提出了压电电子学的5个关键科学问题：,(1)压电电子学中的界面耦合效应； (2)压电电子学的非线性效应； (3)柔性压电电子学的主动式响应过程； (4)压电电子学的动态响应过程； (5)压电电子学的温度效应。 此外
15、，他还指出了未来的主要研究方向： (a)压电电子学/压电光电子学基础器件研究； (b)压电电子学/压电光电子学系统研究。,3.2 纳米发电机及其理论(Nanogenerators and theory)与会专家在专题报告中系统介绍了压电半导体材料的半导体性和压电性相互作用关系，从理论上证实了肖特基接触的位置、机械力输入的方式、材料的形状、电学边界条件以及载流子输运性能等因素对压电电势的大小及机电转换效率起了决定性的作用，并为高性能压电电子学器件的研制提出了具体的优化条件。同时指出,压电电子学器件的优化还可能与寄生阻抗、杨氏膜量、压电系数等因素有关，有待进一步深入研究。,与会专家在讨论中指出，在
16、纳米发电机研究中，基础的理论计算非常重要，特别是非线性效应。纳米材料的一大优点是可以承受巨大的应变，使得压电效应及其它应变相关效应会明显增强，但目前的理论一般只局限于线性理论。因此，需要发展非线性理论来模拟纳米发电机中的极化和电子转移问题。,在纳米发电机方向，有以下几个重大科学和技术问题，需要引起国家层面的重视，及时给予大力支持，进而推进这一重大技术的推广和应用： (1)基于压电效应和摩擦效应的纳米发电机效率的理论计算和预测；纳米发电机所用核心材料的设计，性能提升及其系统的模拟和优化； (2)柔性纳米发电机包装中的基础科学和技术问题研究； (3)纳米发电机作为可持续供电源和现有产品的结合，集成及其应用； (4)基于纳米发电机的自驱动传感技术和在基础设施检测，智能交通，智能城市，健康检测，环境保护，物联网，移动通信和国防技术等方面的应用。,
