一文了解压电纳米发电机的结构与应用！

无线和便携式纳米级和微米级技术正越来越多地用于医疗植入物、环境控制、工业保护、国防设备和个人电子产品，包括化学传感器和基于纳米线的气体以及用于纳米设备的可编程纳米线电路。直到最近，大多数微型和纳米设备都依赖于老式能源，例如锂离子电池的电源。尽管在长期效率和减小电池尺寸方面取得了进步，但是相对较大的电池尺寸，不可避免的充电或更换要求在生产和操作这种电池时仍然构成挑战。
迈向纳米级
压电纳米材料制造方法的最新进展已导致较小的压电发生器能够代替更大的发生器。压电材料收集环境中大量可用的机械能，例如气流中的能量、机械振动、雨滴和液压，然后通过称为“压电效应”的过程将其转换为电能。压电纳米发电机是由Wang和Song于2006年首次提出的，他们能够用原子力显微镜的尖端从氧化锌纳米线产生数毫伏的脉冲输出电压。由于可以将它们用于微米级和纳米级电源系统，因此对这种纳米发电机的最新兴趣有所增加。
迄今为止，压电纳米发电机的结构已经有了很大的发展，并且包括挠性纳米发电机在内的种类很多。这些提供了一系列的机械能收集可能性。电压已从几毫伏增加到几百伏，可用于驱动LCD，LED和无线数据通信设备。压电纳米发电机的主要结构包括横向排列的纳米线网络，垂直排列的纳米线阵列和基于纳米线的纳米复合材料。
横向排列的纳米线网络
在横向排列的纳米线压电纳米发电机中，通过弯曲基板或通过向纳米线施加自由基方向的压力来横向弯曲纳米线以使其变形。在这些过程中，纳米线同样弯曲。通过忽略根本产生的应变，可以将一维纳米结构在横向上的相等弯曲作用称为横向拉伸，这归因于其极高的纵横比。研究还表明，在相同的外部压力下，横向制造的压电纳米棒可以比垂直制造的纳米棒产生更多的压电电压。这使得它们在压电纳米发电机的设计中很有用。
垂直排列的纳米线阵列
在垂直排列的纳米线阵列中，两个单独的工作模型用于纳米发电机，例如垂直压缩和横向弯曲。考虑到不同的机械和电气配置，操作过程在各种方面都不相同，但在一种方面相似：压电纳米线的压电特性和半导体行为耦合。如果在受到原子力显微镜（AFM）尖端的诱惑时纳米线弯曲，则由于电子亲和力和工作功能不同，肖特基势垒会在其中发展。由于纳米线外侧和内侧的压缩和拉伸，AFM尖端负责产生压电电势。总体而言，电子以圆形路径在导线中流动，并且将在测量仪器中检测到输出电流。
基于纳米线的纳米复合材料
基于纳米线聚合物材料的复合材料被用于设计一种相对新型的压电纳米发电机。这些设备具有简单的制造工艺和结构，涉及四个工作层：正面和背面电极，至关重要的纳米线复合层和柔性基板。这种多层结构也类似于压电陶瓷。尽管这些纳米线复合材料的压电性能可能不如陶瓷，但聚合物基体极大地增强了压电纳米发电机的柔韧性。锆酸钛酸铅纳米线也用于制造这些纳米复合材料，并在手动弯曲时可提供7 V的可实现输出电压。这种类型的纳米发电机已展示出卓越的功率性能，以及可用于大规模生产的低成本和简便制造技术。
压电纳米发电机的应用
纳米级压电发生器将从人形手指的扭曲，人形肘部的释放和折叠，甚至是真正的花栗鼠的赛车运动中提取生物力学能量。在制造压电纳米发电机方面已经取得了进展，该压电纳米发电机具有将机械能从鼠标的脉搏和呼吸转换为功率输出的能力。除了人类和动物产生的机械能以外，这些压电纳米发电机还可以提取生态系统中存在的某些其他类型的机械能。其中包括利用驾驶汽车产生的机械压力和雨滴冲击，以及气流和液体的振动影响。
结论
在过去的几年中，压电纳米发电机在结构和设计上的进步极大地将其电压产生从几毫伏提高到了几伏。这些纳米发电机现在根据其如何在环境中收集机械能而部署在不同的领域。这些系统被用作为微电子设备，自供电传感器，有源传感器和混合电源模块供电的电源。

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来源：贤集网
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