[发明专利]利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体探测领域，尤其涉及一种利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法。

背景技术

基于压电效应、摩擦电效应或焦热电效应制作的纳米发电机可以将环境中的微弱能量转换成电能以便给纳米器件和纳米系统供电。自供电纳米系统也被证实在自供电PH传感器、紫外光传感器、自供电能源包、小液晶显示器、商业激光二极管等多种器件中是可行的。近几年，通过利用诸如风速探测器、汽车速度计和磁性传感器等将纳米发电机输出电信号处理为对环境变化响应的功率源信号或传感信号，而提出了一种称为主动传感器的自供电纳米系统。在众多基于纳米发电机的主动传感器中，氧化锌纳/微米线因为其半导体和压电耦合特性而受到广泛关注。以氧化锌光电探测器为例，因为紫外光照强度对载流子浓度影响很大，所以氧化锌纳米线在不同的紫外光照强度下可产生不同的压电输出电压。

因其半导体特性以及大的比表面积和表面吸附活性，氧化锌一维纳米结构在气体传感中拥有灵敏度极高和响应快速的特点。然而，目前尚没有关于基于纳米压电半导体材料的纳米发电机在气体探测领域中的应用方面的研究。

发明内容

本发明针对现有技术中尚没有关于基于纳米压电半导体材料的纳米发电机在气体探测领域中的应用方面的研究，提供一种利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机来探测气体的方法。

本发明提供一种利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法，该方法包括：

将所述基于纳米压电半导体材料的纳米发电机放置于被测气体环境中；

向所述基于纳米压电半导体材料的纳米发电机施加应力；

测量被施加应力后的所述基于纳米压电半导体材料的纳米发电机的压电输出特性；以及

利用所述压电输出特性对被测气体进行探测。

由于根据本发明的方法提供了一种利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机来探测气体的方法，所以填补了现有技术中尚没有关于基于纳米压电半导体材料的纳米发电机在气体探测领域中的应用方面的研究的空白。而且，由于基于纳米压电半导体材料的纳米发电机能够自供电，所以根据本发明的方法还能够在没有外部电源的情况下进行气体探测。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a示出了基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机的原理图；

图1b和图1c分别为氧化锌纳米线阵列1的顶部和截面的扫面电子显微镜图像；

图1d为氧化锌纳米线阵列1顶端的高分辨透射电子显微镜图像和选区电子衍射图像；

图2是根据本发明一种实施方式的利用基于纳米压电半导体材料的纳米发电机进行气体探测的方法的流程图；

图3a是被放置于氧气中但没有被压缩时，基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机中的氧化锌纳米线中电荷载流子浓度和耗尽层厚度示意图；

图3b是被放置于氧气中并受到机械形变时，基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机的压电输出示意图；

图4a是被放置于硫化氢中但没有被压缩时，基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机中的氧化锌纳米线中电荷载流子浓度和耗尽层厚度示意图；

图4b是被放置于硫化氢中并受到机械形变时，基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机的压电输出示意图；

图5a是被放置于水汽中时基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机中的氧化锌纳米线表面的水层示意图；

图5b是被放置于水汽中并受到机械形变时基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机的压电输出示意图；

图6是室温环境下处于不同气体中的基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机在没有发生形变情况下的I-V特性曲线，其中钛箔与氧化锌纳米线阵列的界面处有最高的肖特基势垒；

图7a-7d是基于氧化锌纳米线阵列的纳米发电机在应变条件（0.012%，0.06%s^-1，0.4Hz）下的电压响应，其所处气体环境分别为（a）干空气、（b）氧气、（c）硫化氢（浓度1000ppm）、（d）水汽（相对湿度85%），以上测量均是在室温和1.01×10⁵Pa条件下测得；