CN103296922A - 纳米压电发电机及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供纳米压电发电机及其制造方法。所述纳米压电发电机包括第一电极和第二电极、在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元、和在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月23日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0018655的权益，其公开内容通过参考全部引入本文。
技术领域
本公开内容涉及纳米压电发电机(nano-piezoelectric generator)和制造所述纳米压电发电机的方法。
背景技术
压电发电机是用于将机械振动转变为电能的装置(器件，device)，并且可用作小尺寸装置和传感器的电源或者可用作用于传感(检测，sense)机械振动的传感器。
近来，已研究了纳米压电电子学(nanopiezotronics)，其为在纳米范围尺度上使用压电现象的领域。由于应变限制效应，与体结构体(大体积结构体，bulk structure)的压电效率相比，纳米结构体的压电效率可改善。即，在体结构体中，由于应力而产生的应变在其中未施加应力的方向上以及在其中施加应力的方向上发生，且因此应变被分散。然而，在纳米结构体中，和特别地，在作为一维纳米结构体的纳米线结构体中，应变仅限于其中施加应力的纳米线结构体的长度方向，且因此可获得高的压电系数。
另一方面，公知的压电材料如锆钛酸铅(PZT)和钡钛氧化物(BTO)不适合于制纳米线(nano-wiring)且包括对人类有害的物质。因此，近来，已积极地研究适合于制纳米线的材料如ZnO或GaN作为新的纳米压电材料。
发明内容
提供具有改善的压电效率的纳米压电发电机和制造所述纳米压电发电机的方法。
另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获知。
根据本发明的一个方面，纳米压电发电机包括：第一电极和第二电极；在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；以及在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。
所述中间层可包括氧化物或聚合物。所述中间层可包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。
所述第一电极可由金属材料、导电氧化物、或导电聚合物形成。
所述纳米压电单元可包括ZnO或GaN。
所述纳米压电单元可包括：含有预定的第一载流子的纳米结构体；和用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元。
所述浓度调节单元可包括掺杂在所述纳米结构体中并且具有与所述第一载流子的极性相反的极性的第二载流子。所述纳米结构体可由ZnO半导体纳米线形成，和所述第二载流子可为p型杂质。所述p型杂质可为Li。
所述浓度调节单元可包括附着至所述纳米结构体的表面并且具有与所述第一载流子的极性相同的极性的官能团。所述纳米结构体可由ZnO半导体纳米线形成，并且所述官能团可具有负电荷。
所述浓度调节单元可包括涂覆在所述纳米结构体的表面上的铁电材料。
根据本发明的另一方面，制造纳米压电发电机的方法包括：在第一电极上形成由绝缘材料形成的中间层；在第二电极上形成至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和将所述至少一个纳米压电单元结合到所述中间层。
附图说明
从结合附图考虑的实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的纳米压电发电机的示意性透视图；
图2A和2B是显示根据对比例的纳米压电发电机的压电电势(piezoelectric potential)的图；
图3A和3B是显示图1中所示的纳米压电发电机的压电电势的图，其中中间层的材料分别是MoO3和VO2；
图4是根据本发明的另一实施方式的纳米压电发电机的示意性透视图；
图5是显示在ZnO纳米线中压电电势相对于载流子的浓度的计算机模拟图；
图6A至6C是显示在图4的纳米压电发电机中可采用的纳米压电单元的例子的图，其中官能团附着至纳米结构体的表面；
图7是显示在图4的纳米压电发电机中可采用的纳米压电单元的另一例子的概念图(草图，conceptual view)，其中铁电材料施加在纳米结构体的表面上以控制所述纳米结构体中的载流子的浓度；和
图8A至8C是说明根据本发明的实施方式的制造纳米压电发电机的方法的图。
具体实施方式
现在将详细介绍实施方式，其例子说明于附图中，其中相同的附图标记始终是指相同的元件。在这点上，当前的实施方式可具有不同的形式并且不应解释为限于本文中所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述实施方式，以解释本描述的方面。表述例如“的至少一个(种)”，当在要素列表之前或之后时，修饰要素的整个列表且不修饰所述列表的单个要素。
图1是根据本发明的一个实施方式的纳米压电发电机100的示意性透视图。
参照图1，纳米压电发电机100包括第一电极120、第二电极150、在第一电极120和第二电极150之间形成的纳米压电单元140、以及在第一电极120和纳米压电单元140的至少一个之间形成的中间层130。
纳米压电发电机100是用于将由于细微振动或移动而产生的机械能转变为电能的装置，并且包括具有用于改善压电性能的纳米结构体的纳米压电单元140和由绝缘材料形成的中间层130。
将如下更详细地描述纳米压电发电机100。
纳米压电单元140各自由纳米结构体形式的半导体压电材料形成。所述半导体压电材料可为，例如，ZnO或GaN。所述纳米结构体可为纳米棒、纳米线、纳米孔或纳米管，但本实施方式不限于此。此外，纳米压电单元140可具有多种横截面形状例如六边形形状或方形形状，或者可具有在生长轴方向上在面积方面变化的横截面，例如纳米针。由于应变限制效应，纳米结构体可具有比体结构体的压电效率好的压电效率。即，在体结构体中，由于应力而产生的应变在其中未施加应力的方向上以及在其中施加应力的方向上发生，且因此应变被分散。然而，在纳米结构体中，和特别地，在纳米线结构体即一维纳米结构体中，应变仅限于其中施加应力的纳米线结构体的长度方向，且因此可获得高的压电系数。
中间层130可设置在第一和第二电极120和150之一，例如，第一电极120与纳米压电单元140之间，如图1中所示。
通常，在使用半导体压电材料的发电机中，肖特基(Schottky)接触发生在电极和半导体之间。当从外界向压电材料施加机械力时，在压电材料中产生压电电压，形成电极的费米能级，并且在外部电路中产生电子流以使电极的费米能级相符(coincide)。为了使制造平衡状态的电子流仅在外部电路中发生，要求在半导体压电材料和电极之间形成高的肖特基势垒。然而，可能存在通过界面的泄漏电流，即使具有肖特基势垒，并且这使产生的电压降低且使能量产生效率降低。为了解决以上问题，肖特基势垒必须更高。然而，在选择用于形成电极的材料方面存在限制。例如，必须使用具有高的功函数的昂贵材料，例如Pt和Au。
在本实施方式中，将由绝缘材料形成的中间层130插入电极和半导体之间以绕过(circumvent)在电极材料选择方面的限制和减少界面泄漏电流，且因此压电效率得以改善。
中间层130可由各种绝缘材料形成。例如，可使用氧化物材料、聚合物、或其混合物。所述氧化物材料可为，例如，MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。
第一电极120和第二电极150可由，例如，Au、Ag、Al、Cu、Pd、Pt、Ru、Ni、Co、Al、或其混合物形成。此外，第一和第二电极120和150可由透明和柔性的导电材料，例如，导电氧化物如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)、导电聚合物、或其混合物形成。另外，第一和第二电极120和150可由碳纳米管、导电聚合物、纳米纤维、纳米复合物或石墨烯形成。
此外，如图1中所示，纳米压电发电机100可进一步包括基材110。基材110可由各种材料形成，例如，基材110可为固体基材，例如玻璃基材或硅基材。此外，基材110可为柔性基材，例如塑料基材或织物基材；然而，本发明的实施方式不限于此。另一方面，如果基材110包括导电材料，基材110可起到电极的作用代替第一电极120。例如，当基材110包括以高的浓度掺杂的硅时，可以不在基材110上设置第一电极120。
外部负载(load)170连接到第一和第二电极120和150以储存或消耗由纳米压电发电机100产生的电。当从外界向纳米压电发电机100施加机械力或能量，例如，细微的振动、风、声音、或人类的活动时，纳米压电单元140变形。此外，当除去施加到纳米压电发电机100的外力时，纳米压电单元140回到原始状态。如上所述，由于纳米压电单元140的压电性质，当纳米压电单元140的形状改变或恢复时，在连接至纳米压电单元140的相反的端的第一和第二电极120和150之间感应(induce)预定的电压。当外部负载170是电容器时，由纳米压电发电机100产生的电可储存在该电容器中。此外，如果外部负载170是纳米装置，由纳米压电发电机100产生的电可被该纳米装置消耗。如上所述，纳米压电发电机100可将机械能转化为电能。
图2A和2B是显示根据对比例的纳米压电发电机的压电电势的图。
根据对比例的纳米压电发电机不包括中间层。图2A显示其中使用ITO形成电极的情况，和图2B显示其中使用Pt或Au形成电极的情况。
参照图2A和2B，当使用ITO形成电极时的压电电势比当使用Pt或Au，即金属材料，形成电极时低。此外，当使用具有高的功函数的Pt形成电极时，压电电势比当使用Au形成电极时高。由所述图可看出，在选择用于改善压电效率的电极材料方面存在限制。
图3A和3B是显示图1中所示的纳米压电发电机100的压电电势的图，其中图3A显示其中中间层130由MoO3形成的情况，和图3B显示其中中间层130由VO2形成的情况。
图3A和3B的图显示当电极由ITO形成时的压电电势。
参照图3A，压电电势比其中未形成中间层且电极由ITO形成的图2A的压电电势高得多，即，所述压电电势是图2A的压电电势的约20倍高。此外，当与其中电极由Pt(其具有与MoO3的功函数类似的功函数)形成的图2B的图相比时，压电电势为至少两倍大。
参照图3B，当中间层130由VO2形成时，压电电势改善。
图4是根据本发明的另一实施方式的纳米压电发电机200的透视图。
本实施方式的纳米压电发电机200在纳米压电单元240的结构方面不同于图1的纳米压电发电机100。
纳米压电单元240包括：在其中包括预定的第一载流子的纳米结构体，和用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元。
例如，所述浓度调节单元可为具有与所述第一载流子的极性相反的极性并且掺杂在所述纳米结构体中的第二载流子。当所述纳米结构体是ZnO纳米线时，所述第一载流子可为n型载流子且所述第二载流子可为p型载流子，和Li可用作所述p型载流子。
以上结构导致压电效率被改善的特性，因为纳米结构体中的载流子浓度降低，因此纳米压电单元240的纳米结构体中的第一载流子的浓度被控制并且在纳米压电发电机200中形成中间层130，从而实现高的压电效率。
图5是显示在ZnO纳米线中压电电势相对于载流子浓度的计算机模拟图。在该计算机模拟中，ZnO纳米线被模型化为具有200nm直径和600nm长度的六方柱。这里，直径是所述六方柱的六边形底(base)的最长对角线的长度。所述ZnO纳米线的底面结合到基材上并电接地，且沿着所述纳米线的长度方向从所述ZnO纳米线的顶面施加107N/m2的外部应力(Tz)。随着在所述ZnO纳米线的顶面的中心处的浓度的变化计算感应的压电电势。参照图5的图，当载流子浓度增加时，压电电势降低。此外，当载流子浓度大于约1015/cm3时，压电电势急剧降低。
图6A至6C是显示在图4的纳米压电发电机200中可包括的纳米压电单元240的其它例子的图。
纳米压电单元240包括：在其中包括预定的第一载流子的纳米结构体241，和附着在纳米结构体241的表面上的官能团。所述官能团具有与所述第一载流子的极性相同极性的电荷，例如，纳米结构体241可由ZnO半导体纳米线形成，并且如所述图中所示，所述官能团可为负电荷的羧基或磷酸(膦酸)基团。在图6A至6C中，R表示亚烷基。
图7是显示在图4的纳米压电发电机200中可包括的纳米压电单元240的另一例子的图。
纳米压电单元240包括：包括预定的第一载流子的纳米结构体241和涂覆在纳米结构体241的表面上的铁电物质245。涂覆在纳米结构体241的表面上的铁电物质245在一个方向上排列电极偶子247以控制内部载流子的浓度。如图7中所示，当铁电物质245对纳米线形状的纳米结构体241施加正电压时，负电荷集中在铁电物质245的相对接近所述纳米线的一侧，和正电荷集中在铁电物质245的相对远离所述纳米线的一侧。如上所述，由于铁电物质245的电极偶子247被排列，由于库仑力(一种斥力)，所述纳米线中的电子(e)被排到外部，由此控制内部载流子的浓度。铁电物质245可由PVDF、BTO或PZT形成。
图8A至8C是说明根据本发明的实施方式的制造纳米压电发电机300的方法的图。
如图8A中所示，制备第一电极320，并在第一电极320上形成由绝缘材料形成的中间层330。为了制造方便，第一电极320可在基材(未示出)上形成。第一电极320可由金属材料、导电氧化物或导电聚合物形成。中间层330可由金属氧化物、聚合物、或其组合形成。根据形成中间层330的材料，中间层330可以多种方式形成，例如，溶胶-凝胶合成、热蒸发、电子束蒸发、溅射、激光烧蚀、或旋涂。
如图8B中所示，在第二电极350上形成各自由半导体压电材料形成的纳米压电单元340。纳米压电单元340可由GaN或ZnO形成，并且可形成为纳米棒、纳米孔、或纳米管，或者形成为具有图8B中所示的纳米线形状。或者，纳米压电单元340可包括：在其中包括第一载流子的纳米结构体，和用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元，如参照图4所描述的。即，为了形成纳米压电单元340，可形成包括第一载流子的纳米结构体和可使用浓度调节单元调节其中的第一载流子的浓度。
接着，如图8C中所示，将纳米压电单元340和中间层330彼此结合以制造纳米压电发电机300。为了将纳米压电单元340和中间层330结合，例如，通过使用环氧树脂可固定整个结构；然而，本发明的实施方式不限于此。
根据本发明的纳米压电发电机，由绝缘材料形成的中间层被插入电极和压电材料之间以增加电极材料的选择范围和改善压电效率。
另外，形成了用于调节纳米结构体中的载流子浓度的结构，由此进一步改善了压电效率。
应理解，本文中描述的示例性实施方式应仅在描述的意义上考虑且不用于限制的目的。在各实施方式中的特征或方面的描述应典型地被认为可用于在其它实施方式中的其它类似特征或方面。
Claims (21)
1.纳米压电发电机，包括：
第一电极和第二电极；
在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和
在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。
2.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述中间层包括氧化物或聚合物。
3.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述中间层包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。
4.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述第一电极由金属材料、导电氧化物、或导电聚合物形成。
5.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述纳米压电单元包括ZnO或GaN。
6.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述纳米压电单元包括：
含有预定的第一载流子的纳米结构体；和
用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元。
7.权利要求6的纳米压电发电机，其中所述浓度调节单元包括掺杂在所述纳米结构体中并且具有与所述第一载流子的极性相反的极性的第二载流子。
8.权利要求7的纳米压电发电机，其中所述纳米结构体由ZnO半导体纳米线形成，和所述第二载流子是p型杂质。
9.权利要求8的纳米压电发电机，其中所述p型杂质是Li。
10.权利要求6的纳米压电发电机，其中所述浓度调节单元包括附着到所述纳米结构体的表面并且具有与所述第一载流子的极性相同的极性的官能团。
11.权利要求10的纳米压电发电机，其中所述纳米结构体由ZnO半导体纳米线形成，和所述官能团具有负电荷。
12.权利要求6的纳米压电发电机，其中所述浓度调节单元包括涂覆在所述纳米结构体的表面上的铁电材料。
13.制造纳米压电发电机的方法，该方法包括：
在第一电极上形成由绝缘材料形成的中间层；
在第二电极上形成至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和
将所述至少一个纳米压电单元结合到所述中间层。
14.权利要求13的方法，其中所述中间层包括氧化物或聚合物。
15.权利要求13的方法，其中所述中间层包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。
16.权利要求13的方法，其中所述第一电极由金属材料、导电氧化物、或导电聚合物形成。
17.权利要求13的方法，其中所述纳米压电单元由包括ZnO或GaN的材料形成。
18.权利要求13的方法，其中形成所述至少一个纳米压电单元包括：
形成至少一个纳米结构体，其在所述纳米结构体中含有预定的第一载流子；和
调节所述第一载流子的浓度。
19.权利要求18的方法，其中调节所述第一载流子的浓度包括在形成所述纳米结构体时掺杂具有与所述第一载流子的极性相反的极性的第二载流子。
20.权利要求18的方法，其中调节所述第一载流子的浓度包括使具有与所述第一载流子的极性相同的极性的官能团附着在所述纳米结构体的表面上。
21.权利要求18的方法，其中调节所述第一载流子的浓度包括在所述纳米结构体的表面上涂覆铁电材料。
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