[發明專利]一種碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410100366.6
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103840076A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 高紅;劉春雷;張喜田;楊青;孫鑒波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱師范大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/39;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 侯靜

技術領域

本發明涉及一種壓電材料及其制備方法和應用。

背景技術

納米材料主要指其空間某一維度處于1～100nm數量級的材料，由于其特殊的性質和廣泛的用途，長期以來受到科學領域及社會各界的廣泛關注。由諸如氧化鋅、硒化鋅等半導體材料制成的納米材料，由于量子限域效應的影響，其能夠表現出眾多奇特和優異的物理性質。與普通材料相比，他們具有更強的力學韌性、壓電性能、更好的熱導電性、更高的發光效率、更寬的發光頻譜，更卓越的場發射性能等等。這些優異的特性在大規模集成電路器件、光電器件、生物及化學傳感器件、醫療衛生器件等等生產領域中發揮了舉足輕重的作用。壓電材料（piezoelectric?material），是指受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例，這一現象被稱為壓電效應。隨即，居里兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。進幾年來王中林教授用氧化鋅基復合材料在解決能源問題方面做了大量的工作，并取得一定的成果。沿著氧化鋅納米線C軸方向施加作用力會在氧化鋅納米線的兩端形成電勢差，在納米材料中使機械能轉換成電能成為可能。進而壓電影響的長效應晶體管（FET）、太陽能電池等相繼出現。氧化鋅基復合納米材料的壓電性能也作為一個熱點問題被研究，王中林組設計的一種壓電影響碳纖維/氧化鋅-硫化鎘雙殼微線寬光譜探測器響應電流達到10μA。與壓電有關的氧化鋅基的復合納米材料也相繼報道。由于這類復合納米材料成本低、可重復性好、輸出電流大等特點，可以投入生產和使用。

到目前為止，已經實現多種納米材料和氧化鋅納米陣列的復合形成大電流的納米發電機，根據其工作原理可以將其歸為對合成的復合納米材料施加作用力會在氧化鋅兩端形成電勢差進而改變兩種納米材料形成異質結的界面附近的勢壘高度進而改變輸出電流的大小。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有氧化鋅基復合納米材料在應變下的輸出電流低的問題，而提供一種碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料及其制備方法和應用。

本發明碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料在沿著垂直于碳纖維軸線的方向生長長度為0.9～1.1μm的氧化鋅納米線，在氧化鋅納米線的尖部生長硒化鋅層。

本發明碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料的制備方法按下列步驟實現：

一、分別用丙酮、無水乙醇、去離子水和濃硝酸清洗碳纖維30～35min，然后用去離子水沖洗，烘干的碳纖維再浸泡到醋酸鋅溶液中30～32min，取出在348～351℃的溫度下退火30～32min形成帶有種子層的碳纖維；

二、將濃度為0.024～0.026mol/L的硝酸鋅和0.024～0.026mol/L的六亞甲基四胺（HMTA）混合得前驅液，然后將帶有種子層的碳纖維放于前驅液中，以89～91℃水熱生長24～24.5h，自然冷卻至室溫后得到碳纖維/氧化鋅陣列；

三、將硒酸鈉（Na₂SeO₄·10H₂O）、水合肼和去離子水混合攪拌均勻配成反應液，然后加入步驟二得到的碳纖維/氧化鋅陣列，以160～162℃水熱生長4～4.5h，自然冷卻至室溫后依次用無水乙醇、去離子水和無水乙醇沖洗，烘干后得到碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料。

本發明碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料的應用是將碳纖維/氧化鋅-硒化鋅雙殼微線納米發電機納米材料作為發電元件應用于納米發電機器件中。