[发明专利]异质结压电式纳米发电机及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机及其制造方法，特别是涉及一种由异质结整流效应实现单向电流输出的异质结压电式纳米发电机及其制造方法。

背景技术

自20世纪80年代初，纳米科学的概念提出以来，纳米技术获得了空前的飞速发展，受到世界各国的广泛关注。如今，纳米技术已被广泛应用到材料、机械、电子、生物、医药等诸多领域。其中，纳米器件由于体积小、传输性能好等特点，引起了世界各地科研工作者的研究兴趣。然而，纳米技术发展至今，大部分研究集中于开发高灵敏度、高性能的纳米器件，而关于纳米尺度的电源供应技术的研究却鲜有报道。另一方面，应用于生物及国防等方面的纳米传感器，对这种电源系统的需求却日益迫切。例如，无线微纳系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控、生物活体探测均具有重大意义。任何内置在生物体的无线传感器都需要电源，一般来说这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。如果这些传感器能够从生物体内自动获得能量并自我提供电源，将有效促进器件的实用化进程。因此，开发出一种新型纳米技术，将工作环境中存在的机械能转化为电能，使得纳米器件在无需外接电源的情况下连续工作，具有极其重要的应用价值。这一技术在减小电源尺寸的同时，也将扩大能量收集的范围与提高能量收集的效率，在集成系统的微型化方面具有深远的影响。

目前，国际上关于纳米电源系统的研究刚刚起步，其中研究成果最为突出的是美国佐治亚理工学院的王中林教授领导的研究小组。他们利用氧化锌纳米棒阵列的半导体性质和压电性质，制成了输出直流电流的压电式纳米发电机，在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，其可以利用的机械能包括机械振动、风动能、水流的动能以及肌肉伸缩的能量等。该发明为各种纳米器件的电源供应系统的设计和制造奠定了重要的研究基础。但是，这种发电机还存在一定的缺陷和不足，主要表现在：为了在发电机工作过程中形成单向输出的直流电流，上电极必须是一层功函数大于n型氧化锌半导体材料电子亲和能的Au或Pt等贵金属材料，以利于形成具有整流效应的肖特基接触，从而使得发电机的制造成本较高；此外，Au或Pt等贵金属都属于软金属材料，在发电机工作过程中容易磨损，影响器件的性能及使用寿命。

发明内容

为了解决现有压电式纳米发电机存在的上述问题，本发明提供一种制造成本相对低廉，使用寿命较长，工艺实现相对简单的异质结压电式纳米发电机及其制造方法。

本发明之异质结压电式纳米发电机的技术方案如下：其包括半导体纳米棒阵列、半导体纳米凹槽阵列、导电衬底、封装层和引线，所述半导体纳米棒阵列垂直设于作为发电机下电极的导电衬底上，半导体纳米凹槽阵列与半导体纳米棒阵列形成嵌套结构，半导体纳米凹槽阵列为发电机的上电极，发电机上下电极分别由不同的引线接出；半导体纳米凹槽阵列和半导体纳米棒阵列外周设有封装层。

所述半导体纳米棒阵列为具有压电特性的n型半导体氧化锌材料。

所述半导体纳米凹槽阵列为具有良好导电性的p型低阻硅材料。

材质为氧化锌的半导体纳米棒阵列是通过水热法在导电衬底上合成的。

所述半导体纳米凹槽阵列是通过微电化学催化腐蚀法在p型低阻硅片表面腐蚀出的凹槽阵列。

相互嵌套的半导体纳米棒阵列与半导体纳米凹槽阵列两者间的接触是p-n异质结接触，具有电流单向导通的整流效应。

所述导电衬底由氧化铟锡导电玻璃制成。

所述封装层由环氧树脂制成。

本发明之异质结压电式纳米发电机制造方法，包括以下步骤：

（一）水热法合成氧化锌半导体纳米棒阵列：

在磁力搅拌情况下，将20-30 ml的0.02-0.04 M（mol/L）的氢氧化钠乙醇溶液，加入到40-60 ml的0.005-0.015 M（mol/L）的醋酸锌乙醇溶液中，再置于55-65 ℃水浴中磁力搅拌110-130min，得到澄清的氧化锌纳米晶粒溶胶；将氧化铟锡导电玻璃衬底垂直浸渍到氧化锌纳米晶粒溶胶中，以11-13 cm/min的速度匀速提拉衬底，然后将衬底置于145-155 ℃的马弗炉中退火25-35min，重复浸渍—提拉—退火过程4-6次，得到由氧化锌纳米晶粒修饰的衬底；将修饰后的衬底置于0.04-0.06 M硝酸锌与0.04-0.06 M六次甲基四胺的均匀混合溶液中，用于生长氧化锌纳米棒阵列的衬底表面朝下，94-96 ℃水浴环境中反应160-200min后取出，经超声清洗后用氮气枪吹干，置于75-85 ℃真空干燥箱中退火140-160min；

（二）微电化学催化腐蚀法制备半导体纳米凹槽阵列：