【摘 要】
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近几十年来,石油和天然气等不可再生能源消耗不断增加,能源问题日益突出。为了解决不可再生能源消耗问题,风能、太阳能和潮汐能等可再生绿色能源越来越引起人们的关注和研究。机械能作为自然环境中最普遍的能量之一,具有频率分布宽,且大部分为几赫兹到几千赫兹的中低频能量等特点,可以被收集转换成电能。但是自然环境状况比较易变,要求机械能收集和转换装置要具有很强的适应性。目前,传统电化学电池的寿命有限,不仅带来了充
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近几十年来,石油和天然气等不可再生能源消耗不断增加,能源问题日益突出。为了解决不可再生能源消耗问题,风能、太阳能和潮汐能等可再生绿色能源越来越引起人们的关注和研究。机械能作为自然环境中最普遍的能量之一,具有频率分布宽,且大部分为几赫兹到几千赫兹的中低频能量等特点,可以被收集转换成电能。但是自然环境状况比较易变,要求机械能收集和转换装置要具有很强的适应性。目前,传统电化学电池的寿命有限,不仅带来了充电和电池更换的额外操作和成本,而且电池体积过大限制了电子设备小型化。如何实现器件之间网络集成为微纳系统,对电池提出了一系列新的要求。随着物联网的发展,纳米机器人、微机电系统、植入式生物传感器和各种便携可穿戴式电子设备等亟需独立、免维护、长时间工作的供能系统。因此如何实现器件及其系统的高效的,长寿命的供能,成为目前的研究热点。压电纳米发电机是一种收集环境机械能并将其转换为电能的能源采集器。因为其压电效应完全基于材料的内部极化,它不需要单独的电压源和磁场源。压电纳米发电机也不需要像静电发电机要提前起电,也没有电磁发电机笨重的线圈和磁铁部件,也不像摩擦纳米发电机能那样需要与另一种材料接触。因此,与其他机械能转换技术相比,压电发电机具有轻质、耐用、高的密度功率输出、高灵敏度和不受湿度等环境因素影响的特点。此外,压电发电机可以制备在小尺寸的结构中,容易集成于微机电系统。目前压电纳米发电机领域的主要研究瓶颈在于如何提高其柔性和实现更高的输出,从而适应越来越广泛的应用需求。而硫化镉作为一种性能优异的光电材料,因具有较低的功函数和优异的热稳定性等优点被广泛的应用于能量装换和收集。另一方面作为一种合成简便、且具有较高压电系数的压电材料,其在柔性压电纳米发电机和自供电传感方面有很大的应用潜力。因此,本论文以压电纳米发电机技术的理论和技术支撑为基础,以实现微纳设备和新型传感器的自供电为目的,最终构建出一种采用全新纳米材料的独特结构,为压电纳米发电机的构建和实现微纳传感器的自供电进行了全新尝试。本文的主要研究内容和结论如下:（1）通过无模板、温和简便的水热合成法,制备合成出了排布整齐、结晶良好的硫化镉纳米片阵列。通过X射线衍射得出纳米片为六方纤锌矿结构,扫描电镜和原子力显微镜图像表明合成的纳米片为均匀整齐的阵列结构,厚度在100 nm左右。EDS能谱测量显示出纳米片仅含有S和Cd两种元素,且元素均匀分布在整个纳米片表面。（2）为了实现器件的柔性,通过机械剥离法,将纳米片阵列层从硬质基底剥离下来;利用材料的压电特性和半导体特性,最终构建出了一种高灵敏度的柔性压电纳米发电机,并对器件的工作原理进行了详细研究;在此基础上,研究了硫化镉纳米片中的电势分布与纳米片上的外力之间的构效关系。研究表明,除了压电电势分布的改变之外,器件的电产生过程还和金属与半导体材料接触时产生对称的肖特基接触,以及能带结构的变化有关系。运用结构力学、电学等理论得出计算结论:在外力刺激大小相同时,沿c轴方向所施加的外力可以让纳米片产生最大的压电势,且压电势与外力的大小成正比。这为该器件的结构构建和实现压力传感的功能提供了理论依据。（3）系统研究了不同参数对器件电气性能的影响。通过该器件实现了能量的有效采集,并成功的为驱动数字手表和LED灯提供了所需的电能。同时,基于该器件的柔性和输出特性,将其作为压力传感器和手势传感器,不需要额外的外界电源即可实现自驱动传感。实验结果表明:PET基底的加入让器件的输出特性显著提升。而随着外力的大小和频率的增大,也都会导致输出的增加。在手指的驱动之下,该器件可以实现最大达1.2 V的开路电压,和最大为6 n A的短路电流。其输出功率密度会随外加负载的变化而变化,在10 MΩ的电阻负载下可达到最大为6.13 n W/cm~2的输出功率密度。此外,应用实验表明,通过该器件能成功为电容器充电,能量转换效率高达3.6%。利用该器件作为压力传感器时,可以实现0.5–7.2N的测量范围,灵敏度达到0.143 V·N-1。最后,作为手势传感器,通过输出图像和电压幅值也可以定性分析出手指的行为。所以,本文基于三维结构的压电材料制备的压电纳米发电机,不仅为环境能量收集提供了一种新的方法,还是自供电传感技术的研究和发展过程的一种全新尝试,其在信息传感领域存在着诸多的潜在应用。
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