[发明专利]一种逆压电纳米半导体发电机

说明书

技术领域

本发明涉及纳米发电、微机电和电源技术领域，涉及一种将空间中的电磁辐射能转化为电能的逆压电纳米半导体发电机。

背景技术

随着信息时代的到来，人们在工作和日常生活中使用和接触各种电子仪器和电子产品的机会越来越多，各种家用电器、电子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置只要处于工作使用状态，它们就会向其周围辐射电磁波，人体如果长期暴露在超过安全范围的电磁辐射剂量下，细胞就会被大面积杀伤或杀死，这将对人体的健康产生非常不利的影响。

空间辐射电磁波也是一种能量，如果能将其转化为电能、光能、热能等其它形式能量，就可实现有效利用空间电磁辐射能量的目的。这不但是个非常有意义的研究课题，而且也符合当今世界和国家倡导的绿色发展、和谐发展的长远发展目标和发展战略。

随着纳米科技的快速进步，以纳米电子学为代表的大量高灵敏度、高性能微纳米器件和微纳电子系统的开发已成为目前纳米科技最热门的研究方向之一。例如，新型无线微机电系统需要利用其同步内置生物传感器开展一些生物医药监控、生物活体探测等工作，当其工作时，必须要解决其因内置于生物体或其它环境条件下的所需的电源供给问题。新型的微纳米级或厘米级的微型机器昆虫可采用轮子或节肢等方式运动，微型飞行器在低雷诺数条件下也可采用扑翼飞行方式进行长距离飞行，这项技术的关键问题也是如何解决这些微纳机电系统的电源供给问题。一般来说，旧有的传统电子系统和传感器的电源都是直接或者间接来源于电池，但如果新一代微纳米尺度的电子系统也带上一个毫米甚至厘米尺度的电源，必将大大增加其体积规模，限制甚至破坏其综合功能的应用。世界各国科学家都在积极开发各种新型发电方式并努力研发各种新型长寿命电源。据英国《科学》杂志报道，美国佐治亚理工学院的王中林教授研究组成功地利用ZnO纳米半导体材料的压电特性，在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，制成了可将机械振动能、流体振动能等转化为电能的纳米发电机，该发明为即将到来的纳电子时代各种微型系统的电源设计和制造奠定了重要的研究基础。中国专利200710097875.8《交流纳米发电机及升压方法》也公开了这样一种纳米发电机。此种纳米发电机通过系统中纳米半导体阵列和对应放置的纳米金属针尖阵列产生的相对振动，使纳米半导体阵列中的纳米棒、线或带发生形变，并利用ZnO纳米半导体材料的正压电特性将各种机械振动能转化为电能。但这类纳米发电机的发明说明书和权利要求书中涉及到的发明内容还存在许多不足。主要表现在：

1、王中林研究组发明的纳米发电机只利用了ZnO及其它纳米半导体的正压电特性，发电转换模式只涉及到如何将自然界中存在的各种机械振动能转化为电能，这些机械能仅局限在运动、振动、流体运动等自然存在的低频震动范围内，没有涉及到如何利用ZnO半导体的逆压电特性将空间中的高频电磁辐射能转换为电能这一能量转换模式；

2、王中林研究组制作的纳米发电机基本机构是一个N型取向ZnO半导体纳米线与一个镀金或白金的ZnO半导体纳米线阵列或锯齿状镀金或白金的针尖阵列相对放置，并紧密接触组成的装置。但在外界较强机械振动力的作用下，该种纳米发电机的纳米线和金属针尖都将产生较大的机械形变，容易产生纳米线机械折损问题，影响其使用寿命，同时，上下纳米线间需要精密接触的组装模式也使这种发电机的组装和运行机制都比较苛刻；

3、为了收集半导体机械形变产生的压电极化电荷，形成电流的单向导通效应，这种纳米发电机的上部极化电荷收集单元还需要镀上一层功函数大于N型ZnO半导体材料功函数的Au或Pt等贵金属材料，电机制造和装配成本较高；

4、该种纳米发电机单位面积器件能提供的输出功率和电流强度还较小，使这种纳米发电机的适用范围受到一定限制。

如果能利用当代最新的纳米科技研究成果，开发出一些新型电源或发电机，在进一步简化现有纳米发电机结构、系统要求和制造成本的同时，还能让微纳器件或系统利用空间中的各种的高频交变电磁辐射能量获得能量，让其自己给自己提供电能，就不需外接额外电源。并且可将这种发电机内置于微纳器件和系统中，通过对其发射电磁波就可实现自供电，从而方便的实现微纳器件和电源两者完全彻底的小型化。

发明内容

为解决现有纳米发电机技术中存在的上述问题，本发明的目的是要设计一种相对输出功率较高、成本低廉、电机持续寿命较长、工艺实现相对简单的逆压电纳米半导体发电机。