[發明專利]納米發電機及其制造方法

有效

• 申請號: 201210116881.4
• 申請日: 2012-04-19
• 公開（公告）號: CN102646788A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 朱光;王中林;王琪
• 申請（專利權）人: 納米新能源（唐山）有限責任公司
• 主分類號: H01L41/113
• 分類號: H01L41/113;H01L41/22;B82Y40/00
• 代理公司: 北京中海智圣知識產權代理有限公司 11282
• 代理人: 李奎書

技術領域

本發明涉及一種納米發電機及其制造方法，尤其是涉及一種利用納米壓電材料制成的發電裝置。

背景技術

采用納米技術構建的能量收集和轉換裝置，很可能在制造和驅動自供電納米器件和納米系統裝置中起到關鍵性的作用，由于其獨特的自發電和自驅動性質，最近受到了各國研究人員越來越多的關注。2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授研究組首次成功實現了利用氧化鋅納米線將機械能轉化成電能的壓電式納米發電機。隨后，以壓電效應為基礎，基于不同材料和結構的各種納米發電機被相繼研制出來。目前，納米發電機的輸出功率足以驅動商用發光二極管(LED)、小型液晶顯示器、甚至自供電無線數據傳送設備。但是納米發電機的輸出功率仍是制約其發展的關鍵因素。

中國專利申請CN200710097875.8公開了一種交流納米發電機，該發明公開了將氧化鋅納米棒陣列與微電機結構相結合，利用氧化鋅納米棒受力彎曲變形所產生壓電效應，將作用在微電機結構上的機械振動能轉換成電能，構成交流納米發電機。再利用串聯多個這種發電機或二極管-電容升壓裝置，將微小電壓升高至一定的電壓。該專利申請試圖采用二極管-電容等裝置對納米發電機發出的電進行升壓，只是提高了電壓傳輸時的電壓，并未提高發電機的本身的發電能力。

中國專利申請CN201110253998.2公開了一種異質結壓電式納米發電機及其制造方法，該異質結壓電式納米發電機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。該專利申請采用p-n異質結取代壓電式納米發電機中的肖特基結，實現電路單項導通，是一種利用半導體特性的改變。該納米發電機結構也在美國專利US8003982中有公開。該專利申請公開的方案存在發電輸出量、發電機的穩定性及制造困難等問題。

發明內容

本發明為解決現有技術中的問題而提供了一種輸出效率更高、性能更穩定的納米發電機及其制造方法。

本發明提供了一種納米發電機，包括基底、第一電極、氧化鋅納米線陣列、高分子絕緣層和第二電極，所述第一電極設置于基底上，所述氧化鋅納米線陣列垂直生長在第一電極層上，所述氧化鋅納米線陣列層上涂覆有所述高分子絕緣層，所述高分子絕緣層將所述氧化鋅納米線陣列包覆，第二電極設置于高分子絕緣層上；第一電極與第二電極為納米發電機的電壓和電流輸出極。

進一步優選，所述氧化鋅納米線陣列在多個區域內生長，區域與區域之間存在間隙，所述高分子絕緣層涂覆于氧化鋅納米線陣列上，并填充到區域間隙中而將氧化鋅納米線陣列分割、包覆。

所述基底為選自硅基底、氮化鎵基底、導電金屬板基底、導電陶瓷基底或鍍有金屬電極的高分子聚合物材料基底中的一種。所述高分子絕緣層為選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或p型高分子材料中的一種。所述第一電極為選自銦錫金屬氧化物(ITO)、石墨烯或銀納米線膜涂層中的一種，或者其材質為選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的一種。所述第二電極的材質為選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的一種，并通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于高分子絕緣層上。

所述納米發電機還包括一個封裝外殼，所述外殼采用高分子絕緣材質。

本發明提供的納米發電機能夠由所述的單體納米發電機并聯或串聯組成發電機組，提供發電機的輸出電壓或電流。

本發明還提供了一種納米發電機制造方法，包括：

a.通過射頻濺鍍將第一電極層和氧化鋅種子層置于一個預先清潔過的基底上；

b.采用濕化學法生長氧化鋅納米線陣列，使氧化鋅納米線垂直生長在氧化鋅種子表面上；

c.通過旋涂法將高分子絕緣層覆蓋于氧化鋅納米線陣列層上；

d.涂覆第二電極。

所述步驟b優選還包括：

e.光刻氧化鋅納米線的多個生長區域，在第一電極層和氧化鋅種子層上設置光阻材料層，并通過機械濕選法形成氧化鋅納米線生長區域；

f.在光阻材料形成的的多個生長區域中，采用濕化學法生長氧化鋅納米線陣列，使氧化鋅納米線只生長在暴露的種子表面上；

g.剝落所有剩余光阻材料。

步驟e、f、g在于優選制成包括多個區域垂直生長氧化鋅陣列的方法。