[发明专利]氧化锌纳米线/聚合物纳米复合能量转换器件及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及微型能量转换器件，具体涉及一种利用聚合物与氧化锌纳米线共 同作用将环境中的热能或光能或化学能等转换为电能的器件。

背景技术：

随着纳米技术的发展，出现了越来越多的纳米电子器件，这些纳米电子器件 在军事、生物等领域都有广泛的应用。而所有的纳米电子器件都需要有一个微观 尺度的电源来供给能量，只有电源也微型化，才能实现真正的系统集成，使纳米 电子器件真正“纳米”化。尤其是在某些极端环境下工作的器件，如人或动物体 内移植的器件、恶劣环境下的传感器、太空中工作的电子器件等，常规的供电系 统无法提供电能，而如果使用电池，又有寿命的限制。因此，开发能够自供电、 也即器件本身能吸收环境能量转换为电能的器件，对于纳米电子器件的应用有重 要的意义。

沿c轴方向生长的ZnO纳米线具有非中心对称结构，氧原子和锌原子在各 自的晶面形成四面体结构，并沿c轴方向堆积。如果纳米线受到外界应力作用 而产生拉伸、压缩、弯曲等变形，正负离子的电荷中心将发生移动，产生宏观 电荷积累，从而产生电压。氧化锌材料在所有的四面体结构的半导体中，有最 大的压电常数，可以产生大的机电耦合。而研究资料表明，低维的氧化锌纳米 线较之常规宏观材料有更大的压电效应。同时，制备态的氧化锌纳米线是n型 半导体，具有导电性。如果将有正负电荷积累的纳米线两端通过电级连成一个 回路，那么回路中就可以有电流流动，收获电能。氧化锌纳米线的压电效应及 半导体性质使之在微电池器件中的应用成为可能。

根据上面的分析，ZnO纳米线的变形能够产生电压(压电效应)，变形的过程 相当于微电池“充电”过程；正负电荷连成一个回路可以收获电能(半导体性质)， 相当于微电池“放电”过程。ZnO纳米线的一次变形可以产生一个瞬间的电信号， 但是，要真正作为电能供给的微电池器件，必须能够产生持续而恒定的电流。如 果成千上万的纳米线不停的发生形变，然后还原，那么必将不断处于充电/放电 的循环过程中，得到恒定的直流电信号，满足对外微电能供给的需求。如何使成 千上万的纳米线同时变形而产生电压，而且能够同时收获每根纳米线产生的电 能，是此类微电池器件的关键。尽管国外科学家提出了以超声波作为外加能源驱 动纳米线震动的概念性“纳米发电机”，但由于器件本身的问题，只得到0.4nA 的电流，很难得到大的电流信号。而且目前所有的此类纳米发电机都专注于直接 利用氧化锌纳米线来使环境中的机械能转变为电能，这就使得其应用有一定的局 限性，因为环境动能并不是随处可得的。

发明内容：

本发明的目的在于利用氧化锌纳米线，提供一种能从环境中直接吸收光能或 热能或者化学能等并转换为电能的“纳米发电机”，主要用于为各种纳米电子器 件提供能量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种氧化锌纳米线阵列/聚合物纳米复合器 件，利用环境改变时聚合物的收缩或者膨胀带动镶嵌其中的氧化锌纳米线产生变 形，从而产生压电效应，进而利用氧化锌纳米线的压电效应工作，实现将环境中 的光或热或化学能等转换为电能。

本发明所采用的技术方案：

一种氧化锌纳米线/聚合物纳米复合能量转换器件，包括氧化锌纳米线、聚 合物、衬底以及两个金属电极，其中聚合物感应环境信号的变化而产生收缩或膨 胀带动所包覆的氧化锌纳米线产生变形，从而产生电信号，将环境中其他能量转 换为电能。

所述环境信号的变化是指环境中光信号、热信号、或化学信号的变化。

所述环境中的其他能量为光能、热能或者化学能。

所述的氧化锌纳米线为垂直于衬底排列的氧化锌纳米线阵列。

氧化锌纳米线阵列可为常规的各种类型的阵列。

氧化锌纳米线阵列中，氧化锌纳米线的直径为6-100nm。

所述氧化锌纳米线为沿c轴方向生长的ZnO纳米线。

所述的聚合物为任意一种能感应环境光或者热或者化学等环境信号变化而 而产生形变或者变形的、非导电性的、不与氧化锌发生化学反应的且能形成连续 固体薄膜的聚合物材料。

所述聚合物均匀填充到氧化锌纳米线阵列之间，与氧化锌表面紧密结合。

所述聚合物同时起到电极之间的绝缘作用。

所述的衬底为单晶Al₂O₃或者单晶MgO。

所述衬底表面与聚合物形成的薄膜之间还有氧化锌薄膜层。