[实用新型]一种基于碲纳米线垂直结构的热电-压电器件

说明书

本实用新型属于传感器以及材料制备领域，涉及一种基于碲纳米线垂直结构的热电‑压电器件，整体为上下垂直的三明治结构，从下往上为：柔性导电基底、多根碲纳米线、PDMS层以及柔性电极板，多根碲纳米线垂直生长在柔性导电基底上，在柔性导电基底上滴定旋涂形成PDMS层，PDMS层部分包覆固定碲纳米线，多根碲纳米线的顶部连接柔性电极板。该热电‑压电器件同时具有热电与压电双传感效应，相较于传统的压电和热电传感器，双集成器件更适用于智能可穿戴电子设备。且制备的碲纳米线工艺方法简单，成本低廉，不通过复杂的化学反应方法，具有有绿色环保，环境友好型的特点，可实现大规模制备。

技术领域

本实用新型属于定向生长纳米材料的制备以及热电、压电传感器制备技术领域，涉及一种基于碲纳米线垂直结构的热电-压电器件。

背景技术

碲是一种具有十分良好的传热和导电本领的非金属元素。在所有的非金属同伴中，其金属性是最强的，具有厚度依赖性的带隙、环境稳定性、压电效应、高载流子迁移率和光响应等诸多优异特性，在光电探测器、场效应晶体管、热电器件，压电器件、调制器和俘能器等电子器件应用上具有非常大的潜力。一维半导体纳米线结构由于其优异的物理性质和在未来纳米器件中的潜在应用而引起了很多关注。目前，合成碲纳米线的方法有气相生长技术、液相合成技术、分子束外延以及电子束蒸发等，其中气相生长制备在所有制备方法中最快捷可控，具有制备方式简单，大规模制备，环境友好等特点。但大部分气相生长技术并不会生长垂直可控的碲纳米线，而垂直可控的碲纳米线方便器件集成，便于充分利用其优良的半导体物理特性。

随着电子技术的不断发展，柔性电子器件已经广泛应用于智能电子、工业监控、监控评估、航天航空以及环境监测的重大领域。尤其是在实时与人交互的医疗监测方面有着巨大的应用潜力。目前基于塞贝克效应的热电器件能够收集人体表面的热能并转化为电能，在可穿戴电子设备方面有着巨大的应用前景。在热电材料结构设计中，纵向的垂直结构因其受热面积大，温度接触面利用率最高等特性，是目前材料和器件结构设计最理想的方式。但是目前研究的纵向结构的热电器件均具有刚性，在大曲率弯曲下容易弯折破碎。不能耦合人体各关节等热源，导致热电器件的实用范围十分有限。

复合传感器是当下研究的重点，其原因是能满足各种各样的工作环境，目前市面已经有通过良好的结构设计达到双传感的功能。比如北京航天航空大学邓元等(Deng yuanet al.Flexible active dual-parameter sensor for sensitive temperature andphysiological signal monitoring via integrating thermoelectric andpiezoelectric conversion[J].Journal of Materials Chemistry A,2019.)通过设计双层结构，上层单元为柔性热电模块，下层为PVDF摩擦发电模块，达到双传感目的。两个模块分别连出四根电极线，达到了热电与压电的双传感结合。韩国的Seoha Kim等(Seoha Kimet al.Synergetic enhancement of the energy harvesting performance in flexiblehybrid generator driven by human body using thermoelectric and piezoelectriccombine effects[J].Applied Surface Science,2021,558:149784)通过在柔性PMMA上逐层搭建PVDF以及带有PN结热电模块达到双传感的功能，既能满足热电效应，也能因为在弯曲下的PVDF可以产生摩擦发电效应。然而，对于双传感器，多电极的传感结构往往传感器设计变得复杂，且多层结构的健壮性和系统性容易因材料的本征特性受到破坏。为此，研发一款既具有热电效应又具有压电效应的传感器技术和材料制备方法成为该领域的全新挑战，亟待解决。

实用新型内容