【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)電器件的上電極，與ZnO 納米棒形成異質(zhì)結(jié)接觸，從而構(gòu)建異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件。（1）異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的制作 作為器件上電極的硅片表面采用微電化學催化腐蝕法修飾，使表面均勻分布大量的凹凸結(jié)構(gòu)，有利于與ZnO 納米棒陣列的有效接觸。 微電化學催化腐蝕法修飾后的硅表面 異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件示意圖異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件（）的工作原理，與肖特基結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的原理相類似，可以用壓電電勢引起器件兩個電極間能帶的變化來解釋，唯一不同的是異質(zhì)結(jié)的整流效應取代了肖特基結(jié)的整流效應。 異質(zhì)結(jié)直流壓電式納米發(fā)電器件的工作原理圖 納米氧化鋅發(fā)電機的種類與應用 (1) 振子式納米氧化鋅發(fā)電機外力與壓電電壓方向垂直時，利用d31受力形式收集振動能向電能轉(zhuǎn)換，該模型結(jié)構(gòu)簡單。目前的研究主要利用d31轉(zhuǎn)換模式設計微型電源結(jié)構(gòu)，壓電材料選擇壓電系數(shù)和機電轉(zhuǎn)換效率較高的ZnO納米線。壓電微電源的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以表面鋪設高密度、多層次ZnO納米線的懸臂梁為主。，利用MEMS工藝加工微型壓電懸臂梁多為在硅或多晶硅上作單層或多層ZnO納米線陣列薄膜。利用這一原理制作的納米氧化鋅發(fā)電機產(chǎn)生的電流應該是交流的，因此，后期的能量采集、存儲電路還需要對電流進行交變直處理。 (a) (b) d31振子式納米氧化鋅發(fā)電機原理外力與壓電電壓方向平行時。該結(jié)構(gòu)具體描述如下：在整齊性較好的ZnO納米線陣列上方設有下表面高低不平且覆蓋有Pt材料的硅電極。Pt材料的作用不僅能夠增加電極的導電性而且能夠在ZnO的表面產(chǎn)生Schottky接觸。ZnO納米線生長在上表面覆蓋有ZnO薄膜的GaN或藍寶石襯底的上表面，整個結(jié)構(gòu)的周圍包裹有軟性的包裹材料[21]。當結(jié)構(gòu)的上或下板感受到聲波/超聲波或其它振動時會引起兩層板的振動，造成板間距發(fā)生變化，板間距的變化又會引起ZnO納米線與上極板電極之間發(fā)生擠壓，撥動ZnO納米線形變，產(chǎn)生電能，通過對兩板間電能的收集和多個這種結(jié)構(gòu)能源的匯集就可達到發(fā)電的目的。為提高單位體積可產(chǎn)生能量的密度，(b)所示的多層結(jié)構(gòu)。 垂直振動發(fā)電原理（Science, 3(6), 2007）這種發(fā)電原理的納米氧化鋅電機可以用于具有機械振動的場合，并且對于聲波、超聲波等能量相對微弱的情況同樣適用，但應該根據(jù)應用場合的振動強度情況適當改變其硅電極或襯底厚度，以調(diào)節(jié)柔韌度，增強納米發(fā)電機的發(fā)電性能和耐用度。(2) 旋轉(zhuǎn)式納米氧化鋅發(fā)電機對用于流體參數(shù)測量或被測量附近具有流動動力的傳感系統(tǒng)，可以考慮制作一種用于能夠直接利用流體的動力的ZnO納米線發(fā)電機。這種發(fā)電機與轉(zhuǎn)子式發(fā)電機原理類似，先是利用流體驅(qū)動葉輪帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與氧化鋅納米棒相連接（氧化鋅納米棒表面是分布有高密氧化鋅納米線的導體棒），氧化鋅納米棒外測環(huán)繞有內(nèi)表面凹凸不平的Au/Pt電極，納米棒旋轉(zhuǎn)時與電極面碰撞擠壓，使得ZnO納米線發(fā)生形變，根據(jù)正壓電效應，納米線兩端將有電動勢產(chǎn)生，收集此電流就能夠直接獲取直流電。此結(jié)構(gòu)裝置可廣泛用于流體發(fā)電和一些旋轉(zhuǎn)動力的場合。 旋轉(zhuǎn)式納米氧化鋅發(fā)電機原理 氧化鋅納米線/帶的制備 一維ZnO 納米材料的制備方法 目前，一維ZnO 納米結(jié)構(gòu)的制備及其應用是納米材料中的研究熱點之一，許多研究小組通過各種方法已經(jīng)制備出多種形貌的ZnO 納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米帶、納米環(huán)、納米梳、納米孔陣列、納米管及其一些復雜的納米結(jié)構(gòu)[22, 23]。較普遍采用的制備方法主要有：化學氣相沉積法（CVD）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、溶液化學法以及電化學沉積法[24]、水熱法等。 結(jié)構(gòu)各異的ZnO 納米結(jié)構(gòu)CVD方法是一種生長一維材料十分常用和較為成熟的方法，是低維半導體材料主要的制備方法之一。它是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進行化學反應，生成固態(tài)淀積物的過程。這種方法是把含有構(gòu)成生成物的一種或幾種物質(zhì)供給襯底，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能量，借助氣相作用或在襯底表面的化學反應生成所需物質(zhì)。此方法對納米線的生長方向和尺寸有比較好的可控性，沉積速率高，純度高，膜層致密，化學組分容易控制，形成的晶體缺陷較少，并且具有適合納米線生長的高溫特性。楊培東等將CVD與氣相外延技術相結(jié)合，通過控制催化劑Au 團簇或Au薄膜的尺度和位置，對ZnO納米線陣列實現(xiàn)了直徑、位置以及方向的控制生長[25]。 CVD方法制備的ZnO納米棒陣列的SEM圖MOCVD是制備ZnO 薄膜的一種重要方法。該技術是一種利用有機金屬在加熱襯底上的熱分解反應進行氣相外延生長薄膜的方法，使用含Zn 的金屬有機物為有機源。其缺點是使用的有機源極易氧化,而且難以較精確地控制氧氣流量。W. Lee 等將金屬有機氣相沉積在GaAs襯底上成功地生長出高取向的單晶ZnO納米棒[26, 27]。 溶液化學法是一個從溶液中生長固相的過程, 因而屬于液相固相（Liquidsolid, LS）生長法，過飽和溶液中的結(jié)晶包括成核與生長兩個過程。通常ZnO與襯底間的界面能比ZnO與水溶液間的界面能要小，所以在較低的過飽和度下晶核傾向于在襯底表面形成，即異質(zhì)成核。通過改變?nèi)軇┗虮砻婊钚詣┓N類，或通過改變反應體系的濃度、溫度和pH值等參數(shù)，可有效控制所合成的ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌。此外，還發(fā)展了同質(zhì)外延附生法，也叫兩步合成法，即先在襯底上修飾一層織構(gòu)的ZnO晶種膜，然后在這些晶種上成核和生長ZnO納米結(jié)構(gòu)。此法可以通過調(diào)節(jié)晶種層的織構(gòu)來有效控制一維晶體生長的形態(tài)和取向，被公認為是制備高度有序的ZnO納米棒陣列的最有效方法之一。Vayssieres首次利用該方法在硅襯底上制備出ZnO納米棒陣列[28, 29]。電化學沉積法是近年來被廣泛應用的一種合成方法。它具有環(huán)保、操作簡單、合成時間短、能量消耗低、產(chǎn)量較高、過程可控并易于自動化管理等優(yōu)點，是合成金屬氧化物納米線的一種非常經(jīng)濟可行的方法。2006年，孟阿蘭等采用一步電化學氧化法，以HFC2H5 OHH2 O 混合溶液為電解液，分別用Zn和Pb作陽極和陰極，在鋅板表面氧化生長出細長的 ZnO 納米線，并通過調(diào)整工藝參數(shù),實現(xiàn)了納米線直徑與長度的有效調(diào)節(jié)[30]。 低溫水熱法制備ZnO納米棒陣列 采用兩步濕化學方法制備高度取向的ZnO 納米棒陣列。首先，溶膠—凝膠法制備ZnO 納米晶粒溶膠，并修飾到襯底上作為晶種層；然后，水熱法在襯底上外延生長ZnO 納米棒陣列薄膜。該方法允許在任意襯底上生長 ZnO 納米棒陣列，選用的襯底為銦錫金屬氧化物（ITO）導電玻璃，作為后續(xù)電學測試和器件制作的電極準備。 低溫水熱法制備ZnO納米棒陣列的流程圖 低溫水熱法生長ZnO納米棒陣列SEM圖此外，制備一維 ZnO 納米材料的方法，還有磁控濺射法[31]、脈沖激光沉積法（PLD）[32]、熱蒸發(fā)法[33]、分子束外延法（MBE）[34]、溶膠—凝膠法[35]等。 高效能轉(zhuǎn)換與存儲電路設計 納米發(fā)電機電能分析壓電材料產(chǎn)生的是低交流電壓、極其微弱的電流，而且產(chǎn)生的電流是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電效應而轉(zhuǎn)化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當材料內(nèi)部電阻太大相當于斷路或電阻太小相當于短路時，產(chǎn)生的電能未消，會再次轉(zhuǎn)化為振動能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進一步變形的反作用力。因此，要想使壓電振子來為傳感器供電，需要先對電量進行存儲。 能量轉(zhuǎn)換與存儲電路原理圖當把壓電發(fā)電振子接入整流濾波電路之中，只有當壓電振子兩端電壓的絕對值大于濾波電容兩端電壓時，整流橋才能導通，此時，兩端電壓絕對值相等。在橋式整流電路中，存儲器件電壓是影響壓電換能器能量存儲效率的一個重要因素。根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ?，當?shù)谝患墐δ茈娙蓦妷捍笥趬弘娫a(chǎn)生的電壓時，充電電流即停止流向超級電容，隨著超級電容兩端電壓的增加，電流流向超級電容的時間在縮短。 采用二倍壓整流電路電流的流通時間 采用橋式整流電路電流的流通時間。從以上仿真圖可以得知，隨著一級儲能電容上電壓的升高電能的充電效率在下降，橋式整流電路的下降速度要快于二倍壓整流，％，而橋式整流電路電流的流通時間為50％。雖然半波和全波整流電路能把交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，但是直流電壓會隨著二極管的正向壓降而變小，從而影響電能的轉(zhuǎn)化效率。 穩(wěn)壓充電電路的設計環(huán)境中的振動能以隨機的形式出現(xiàn)，所以壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的能量電壓和電流都不恒定，瞬時電壓存在著突變，而傳感器工作時需要的電壓為恒壓恒流。這就需要把突變的電流和電壓轉(zhuǎn)化為恒定的值。MAXl672由于內(nèi)部集成了一個含有線性穩(wěn)壓器的升壓式DC/DC變換器，因此該芯片具有升壓式或降壓式DC/DC變換器的功能。該芯片的輸入電壓可以低于輸出電壓，也可以高于輸出電壓，但輸出電壓是一個恒定的值。~11V，適合壓電發(fā)電裝置的電壓輸出范圍，~，也適合無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的供電電壓。該芯片的功率轉(zhuǎn)換效率典型值為90%。由于該芯片使用了升壓式或線性式穩(wěn)壓方式，因此構(gòu)成應用電路時所需要的外部元件要比正激式電路結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器所需要的元件要小得多，也大大降低了外部電路元件對電能的消耗。該芯片的開關電流不但可以選擇，而且在低電流的應用場合能夠使用極小的外部電感。該芯片內(nèi)部的線性穩(wěn)壓器還可以作為一個濾波器使用，從而降低輸出電壓中的紋波峰值。該芯片的靜態(tài)工作電流僅為85uA。在關閉模式下，可使輸入與輸出完全隔離。這就大大降低了芯片本身的功耗。 穩(wěn)壓充電電路 功率調(diào)理電路和存儲電路總體設計三倍壓整流電路設計，三倍壓整流電路就是在二倍壓整流電路的基礎上，增加一個整流二極管D3和一個濾波電容C3。三倍壓整流電路的工作原理為：在正弦電壓源的第一個正半周時C1被充電至U1，第一個負半周時C2上的電壓被充電到接近2U1。當?shù)诙€正半周時，D1，D3導通，D2截止，C2上的電壓與電源串聯(lián)經(jīng)D3對C3充電