[發明專利]異質結壓電式納米發電機及其制造方法

有效

• 申請號: 201110253998.2
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102299252A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 邵錚錚;張學驁;王飛;王廣;賈紅輝;常勝利;秦石喬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01L41/113
• 分類號: H01L41/113;H02N2/18;H01L41/22;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所 43205
• 代理人: 姜芳蕊;寧星耀

技術領域

本發明涉及一種納米發電機及其制造方法，特別是涉及一種由異質結整流效應實現單向電流輸出的異質結壓電式納米發電機及其制造方法。

背景技術

自20世紀80年代初，納米科學的概念提出以來，納米技術獲得了空前的飛速發展，受到世界各國的廣泛關注。如今，納米技術已被廣泛應用到材料、機械、電子、生物、醫藥等諸多領域。其中，納米器件由于體積小、傳輸性能好等特點，引起了世界各地科研工作者的研究興趣。然而，納米技術發展至今，大部分研究集中于開發高靈敏度、高性能的納米器件，而關于納米尺度的電源供應技術的研究卻鮮有報道。另一方面，應用于生物及國防等方面的納米傳感器，對這種電源系統的需求卻日益迫切。例如，無線微納系統對于實時同步內置生物傳感器和生物醫藥監控、生物活體探測均具有重大意義。任何內置在生物體的無線傳感器都需要電源，一般來說這些傳感器的電源都是直接或者間接來源于電池。如果這些傳感器能夠從生物體內自動獲得能量并自我提供電源，將有效促進器件的實用化進程。因此，開發出一種新型納米技術，將工作環境中存在的機械能轉化為電能，使得納米器件在無需外接電源的情況下連續工作，具有極其重要的應用價值。這一技術在減小電源尺寸的同時，也將擴大能量收集的范圍與提高能量收集的效率，在集成系統的微型化方面具有深遠的影響。

目前，國際上關于納米電源系統的研究剛剛起步，其中研究成果最為突出的是美國佐治亞理工學院的王中林教授領導的研究小組。他們利用氧化鋅納米棒陣列的半導體性質和壓電性質，制成了輸出直流電流的壓電式納米發電機，在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能，其可以利用的機械能包括機械振動、風動能、水流的動能以及肌肉伸縮的能量等。該發明為各種納米器件的電源供應系統的設計和制造奠定了重要的研究基礎。但是，這種發電機還存在一定的缺陷和不足，主要表現在：為了在發電機工作過程中形成單向輸出的直流電流，上電極必須是一層功函數大于n型氧化鋅半導體材料電子親和能的Au或Pt等貴金屬材料，以利于形成具有整流效應的肖特基接觸，從而使得發電機的制造成本較高；此外，Au或Pt等貴金屬都屬于軟金屬材料，在發電機工作過程中容易磨損，影響器件的性能及使用壽命。

發明內容

為了解決現有壓電式納米發電機存在的上述問題，本發明提供一種制造成本相對低廉，使用壽命較長，工藝實現相對簡單的異質結壓電式納米發電機及其制造方法。

本發明之異質結壓電式納米發電機的技術方案如下：其包括半導體納米棒陣列、半導體納米凹槽陣列、導電襯底、封裝層和引線，所述半導體納米棒陣列垂直設于作為發電機下電極的導電襯底上，半導體納米凹槽陣列與半導體納米棒陣列形成嵌套結構，半導體納米凹槽陣列為發電機的上電極，發電機上下電極分別由不同的引線接出；半導體納米凹槽陣列和半導體納米棒陣列外周設有封裝層。

所述半導體納米棒陣列為具有壓電特性的n型半導體氧化鋅材料。

所述半導體納米凹槽陣列為具有良好導電性的p型低阻硅材料。

材質為氧化鋅的半導體納米棒陣列是通過水熱法在導電襯底上合成的。

所述半導體納米凹槽陣列是通過微電化學催化腐蝕法在p型低阻硅片表面腐蝕出的凹槽陣列。

相互嵌套的半導體納米棒陣列與半導體納米凹槽陣列兩者間的接觸是p-n異質結接觸，具有電流單向導通的整流效應。

所述導電襯底由氧化銦錫導電玻璃制成。

所述封裝層由環氧樹脂制成。

本發明之異質結壓電式納米發電機制造方法，包括以下步驟：

（一）水熱法合成氧化鋅半導體納米棒陣列：

在磁力攪拌情況下，將20-30?ml的0.02-0.04?M（mol/L）的氫氧化鈉乙醇溶液，加入到40-60?ml的0.005-0.015?M（mol/L）的醋酸鋅乙醇溶液中，再置于55-65?℃水浴中磁力攪拌110-130min，得到澄清的氧化鋅納米晶粒溶膠；將氧化銦錫導電玻璃襯底垂直浸漬到氧化鋅納米晶粒溶膠中，以11-13?cm/min的速度勻速提拉襯底，然后將襯底置于145-155?℃的馬弗爐中退火25-35min，重復浸漬—提拉—退火過程4-6次，得到由氧化鋅納米晶粒修飾的襯底；將修飾后的襯底置于0.04-0.06?M硝酸鋅與0.04-0.06?M六次甲基四胺的均勻混合溶液中，用于生長氧化鋅納米棒陣列的襯底表面朝下，94-96?℃水浴環境中反應160-200min后取出，經超聲清洗后用氮氣槍吹干，置于75-85?℃真空干燥箱中退火140-160min；

（二）微電化學催化腐蝕法制備半導體納米凹槽陣列：