[发明专利]一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法

说明书

一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，涉及纳米发电机。提供灵活性强，可操作性简单，容易集成耐磨材料，可用于衣服和鞋子，成功将身体的日常运动的机械能转化为电能，为智能服饰的开发和应用提供前提条件的一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法。在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列，得ZnO/h‑BN/金属复合结构；在ZnO/h‑BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列，得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；去除金属衬底，获得埋藏氧化锌纳米柱阵列的透明PDMS薄膜结构；在PDMS/ZnO薄膜结构连帽压印上金属纳米线网络，退火得纳米焊接网络，做透明电极；连接上下电极至载体，即完发电机的制备。

技术领域

本发明涉及纳米发电机，尤其是涉及一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法。

背景技术

微电子技术，无线电子技术的飞速发展以及各种微小型电子设备，微机电系统在工业、通讯以及家庭生活领域的广泛应用，极大地丰富和方便了人们的生活和工作。但在能量供给方面，依然采用传统的供给方式，主要依靠化学电池。化学电池尽管因其方便的优点而被广泛应用，但其实其自身有很大的局限性，如环境污染性、能源损耗性等。并且随着科技的发展，一些传统的供给方式已不能满足现在的需要，因此人们迫切希望找到一种新型的供能方式，用以适应现代技术发展的变化，促进电子信息相关产业的发展。

由于纳米技术的蓬勃发展，基于纳米技术的纳米发电机取代传统的供电设备作为未来的能量供给主力军成为众多学者研究的课题。纳米发电机是一种将微小的物理变化引起的机械能转化为电能的装置，目前主要有三种类型：压电式、摩擦电式和热电式。其中以压电式纳米发电机最受学者关注。这种压电式发电机能够将人体行走时自然产生的机械能转化为电能，这种环保、便捷、持久性的优点有望使个人电子设备——移动电话、音乐播放器，甚至小型的笔记本电脑所需要的能量全部来源于一个人日常的行动。而作为纳米材料界的佼佼者——氧化锌纳米棒，氧化锌是极性半导体，具有很强的压电激化系数，并且由于其直宽禁带和大的激励结合能，也被公认为制作纳米压电设备最重要的材料之一。氧化锌纳米材料通常以纳米线和纳米棒的形式存在。特别是近年来人们对垂直有序排列的氧化锌纳米棒阵列的制备和研究，使得氧化锌纳米材料除了应用于紫外激光器、发光二极管、太阳能电池和LED，还可以应用于压电效应的纳米压电机([1]D.Choi,M.Y.Choi,W.M.Choi,H.J.Shin,H.K.Park,J.S.Seo,J.Park,S.M.Yoon,S.J.Chae,Y.H.Lee,S.W.Kim,J.Y.Choi,S.Y.Lee,J.M.Kim.Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on GrapheneElectrodes[J].Advanced Materials,2010,22(19):2187；[2]J.O.Hwang,D.H.Lee,J.Y.Kim,T.H.Han,B.H.Kim,M.Park,K.No,S.O.Kim.Vertical ZnO nanowires/graphenehybrids for transparent and flexible field emission[J].Journal Of MaterialsChemistry,2011,21(10):3432-3437)。成功地在柔性的、导电的金属衬底上生长了整齐的氧化锌纳米柱阵列，这就给进一步的器件应用提供了很好的结构，可以将这种复杂的结构应用于纳米发电设备。胡友凡和王中林最早提出了氧化锌压电效应的应用。他们基于压电效应提出了三明治结构的设计。首先，通过水热法在聚酯(PS)衬底的顶部和底部生长了密集的氧化锌纳米线；然后，一层在氧化锌纳米阵列表面涂一层薄薄的PMMA，使之绝缘；接着沉积一层铬/金作为纳米发电机的电极；最后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)完全封装提高机械稳定性。因为氧化锌纳米线垂直于PS衬底生长，纳米线的底部通过氧化锌种子层连接，他们的顶部也粘合形成一个膜。因此整体结构可视为两平行的氧化锌薄膜之间填满了氧化锌纳米线阵列而形成整体的一层有质感的膜。压电过程中，整个结构被弯曲，上表面拉伸，下表面压缩。但由于PS本身不导电，所以整个结构制作工艺非常复杂。

发明内容