[發(fā)明專利]一種碳基納米電源的制備方法

有效

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• 申請日: 2013-04-18
• 公開（公告）號: CN103236494A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘春旭;張豫鵬;葉禮
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: H01L41/22
• 分類號: H01L41/22;H01L41/314
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

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技術(shù)領(lǐng)域??

本發(fā)明涉及一種制備碳基納米電源的方法，屬于納米器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)??

????在過去的幾十年時間里，納米科學(xué)技術(shù)在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、生物等領(lǐng)域取得了許多突破性進(jìn)展，大量新型的納米材料與納米器件不斷被開發(fā)出來，并在生物醫(yī)學(xué)、信息、能源以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域中展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。這些成果的取得對人類社會的文明進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展等將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

在納米科技中，納米器件的制作與應(yīng)用最為重要，其中驅(qū)動納米器件運(yùn)行的微納電源是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于納米器件所消耗的功率極低，如能開發(fā)和利用周圍環(huán)境中存在的能量，如太陽能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械能等，用于納米器件的工作能源，將對納米科技的發(fā)展具有重要作用和意義。近年來，大量的研究工作在納米發(fā)電機(jī)方面取得了突破性進(jìn)展。例如，王中林等利用氧化鋅（ZnO）納米線所特有的壓電和耦合特性成功地研制出納米發(fā)電機(jī)。他們以α-Al₂O₃為基底，以金納米顆粒為催化劑，通過氣-液-固（VLS）機(jī)理生長出ZnO納米線陣列。然后，借助原子力顯微鏡針尖撥動ZnO納米線，使其產(chǎn)生彎曲和恢復(fù)直立，發(fā)現(xiàn)在這個過程中可以把納米尺度的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為電能。這項研究成果為納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明和推廣奠定了堅定的基礎(chǔ)。隨后，相應(yīng)的由超聲波驅(qū)動的納米發(fā)電機(jī)、由不同頻率的振動噪聲驅(qū)動的納米發(fā)電機(jī)等相繼被設(shè)計和研發(fā)出來，進(jìn)一步表明了制備和組裝納米發(fā)電機(jī)的可行性與廣闊應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容??

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種碳基納米電源的制備方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所提供的技術(shù)方案和步驟如下：

（1）制備出碳納米材料，采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將碳納米材料轉(zhuǎn)移至柔性聚合物薄片上；?

（2）通過蒸鍍、電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在碳納米材料表面形成微電極，能將石墨烯表面電荷導(dǎo)出；?

（3）將兩片步驟（2）所得的附著有碳納米材料和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于電解質(zhì)環(huán)境中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為納米電源的兩極；拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，使得附著在聚合物表面的碳納米材料發(fā)生形變，從而使得納米電源的兩極輸出電壓。

上述方案中的碳基納米材料作為電極材料，并且碳基納米材料的制備方法不受限制。可以采用化學(xué)氣相沉積法、溶液法、微弧放電法、機(jī)械剝離法、外延生長法、火焰法等各種方法。

所述的納米納米材料可以為石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、富勒烯，或它們的氮摻雜材料等。

所述的聚合物材料必須絕緣、柔性，可以在一定尺度內(nèi)拉伸或彎曲，例如聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯等。聚合物薄片的厚度可以為1-100mm。

所述的導(dǎo)電薄膜的材質(zhì)可以為銦錫金屬氧化物、金、銀、鉑、鋁、鎳、銅或其合金中的一種。

步驟（3）中，拉伸或彎曲柔性聚合物薄片，形變范圍控制在0.1%-20%。

所述電解質(zhì)為可溶性鹽溶液（濃度為0.1-10?mol/L）或固態(tài)電解質(zhì)。形變狀態(tài)下的碳基納米材料的吸附與傳導(dǎo)電荷能力會發(fā)生明顯變化。因此，在于原始狀態(tài)的碳基納米材料構(gòu)成的回路體系中，很容易實現(xiàn)電壓輸出。

本發(fā)明所提供的納米電源可以并聯(lián)或串聯(lián)，組成一種納米應(yīng)變電源組，使得電壓輸出范圍在mV-V范圍內(nèi)可調(diào)。

本發(fā)明利用碳基納米材料，通過施加外力（機(jī)械作用）使其形變（拉伸、彎曲等）改變能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電解液環(huán)境中其吸附與傳導(dǎo)電荷能力發(fā)生明顯變化，因此，當(dāng)與原始狀態(tài)的碳基納米材料構(gòu)成回路體系時，將產(chǎn)生電壓輸出。我們還可以通過不同的設(shè)計與組裝，達(dá)到輸出電壓在mV－V區(qū)間內(nèi)可調(diào)。與之前的金屬氧化物（ZnO）納米線電源相比，基本原理完全不同。另外，碳基納米材料的碳原子間連接極其柔韌。受到外力時，碳原子面發(fā)生變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供的納米電源的有益效果還在于：碳基納米材料的比表面積大，可以很小范圍內(nèi)提供較高的電壓和電流。同時，碳基納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，納米應(yīng)變電源的使用壽命長。本發(fā)明方法所制備的碳基納米電源可用于能源、信息、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中的納米應(yīng)變電源的電極示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的納米應(yīng)變電源組的電極示意圖；