[发明专利]纳米发电机及其制备方法和纤维阵列制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制备领域，特别是涉及纳米发电机及其制备方法，以及纤维阵列制备方法。

背景技术

纳米发电机是基于纳米级压电材料的发电装置，可以与纳米功能器件整合，为其它纳米器件提供能量，实现真正意义上的纳米系统。纳米发电机可以收集各种形式的机械能：如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；声波引发震动产生的能量；体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量等等，并最终将这些能量转化为电能提供给纳米器件，从而让纳米器件或纳米机器人实现能量自供，在生物医学、军事、无线通信和无线传感等方面具有重要的应用前景。

目前，用于制作纳米发电机的材料主要分两种，分别是压电半导体和铁电材料。其中，氧化锌作为一种半导体材料具有优异的光学、生物学性能，是纳米发电机常用的核心材料。但是，以氧化锌为核心制备的纳米发电机，由于受到氧化锌低压电系数的限制而难以制作出高输出电压和输出电流密度的纳米发电机，现有的纳米发电机无论采用哪种材料，最高输出电压都不会超过100伏特，这限制了纳米发电机在纳米器件系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是通过改进纳米发电机的设计提供一种高输出电压和输出电流密度的纳米发电机。

为实现上述目的，本发明提供一种纳米发电机，包括：

底电极；

所述底电极上的压电纤维阵列，所述压电纤维阵列中的压电纤维通过聚合物固化在一起；其中，所述压电纤维基本垂直与所述底电极，所述聚合物固化后在压力作用下可以形变；

所述纤维阵列上的顶电极。

优选的，所述压电纤维的长度为百微米量级。

优选的，所述压电纤维阵列中的压电纤维为锆钛酸铅、钛酸钡、聚偏氟乙烯或锆钛酸钡钙纤维。

优选的，所述底电极和/或顶电极为导电玻璃、硅钢片、金属片或金属薄膜。

优选的，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷。

相应地，本发明还提供一种纳米发电机制备方法，包括：

提供压电纤维薄膜，所述压电纤维薄膜中压电纤维的取向基本相同；

将多个相同形状的所述压电纤维薄膜按照压电纤维取向基本相同的方向堆叠；

通过聚合物使多个所述压电纤维薄膜固化形成压电纤维片；

将上述压电纤维片沿垂直于纤维排布方向均匀切割成相同宽度长条状纤维片，将多个上述相同宽度长条状纤维片按照压电纤维取向基本相同的方向堆叠；

通过聚合物使多个所述相同宽度长条状纤维片固化形成压电纤维阵列；

在所述压电纤维阵列上制备顶电极和底电极，所述压电纤维阵列中的压电纤维的取向基本垂直与所述顶电极和底电极。

优选的，采用电纺丝方法提供锆钛酸铅、钛酸钡、聚偏氟乙烯或锆钛酸钡钙纤维。

优选的，通过聚合物使多个所述压电纤维薄膜固化形成压电纤维片步骤具体为：

通过聚合物在100摄氏度固化1小时使多个所述压电纤维薄膜固化形成压电纤维片；

通过聚合物使多个所述相同宽度长条状纤维片固化形成压电纤维阵列步骤具体为：

通过聚合物在100摄氏度固化1小时使多个所述相同宽度长条状纤维片固化形成压电纤维阵列。

优选的，在所述压电纤维阵列上制备顶电极和底电极步骤后，还包括极化所述压电纤维阵列步骤，具体为：

将制备有顶电极和底电极的所述压电纤维阵列在130℃进行高压极化10分钟，所述高压极化的极化电压根据压电纤维每微米长度4伏的电压确定；

保持所述压电纤维阵列的极化电压条件下降至室温。

本发明还提供一种纤维阵列制备方法，包括步骤：

电纺丝方法制备纤维薄膜，所述纤维薄膜中纤维的取向基本相同；

将多个所述纤维薄膜按照纤维取向基本相同的方向堆叠；

通过聚合物使多个所述压电纤维薄膜固化形成纤维片；

将上述纤维片沿垂直于纤维排布方向均匀切割成相同宽度长条状纤维片，将多个上述相同宽度长条状纤维片按照纤维取向基本相同的方向堆叠；

通过聚合物使多个所述相同宽度长条状纤维片固化形成纤维阵列。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：