[发明专利]一种纳米压电微能源系统

说明书

本发明公开了一种纳米压电微能源系统，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；来自于外部的力(产生于所收集的耗散机械能)被传递到压电纳米材料促使材料产生形变，在正压电效应的作用下，从而产生电能。该纳米压电微能源系统不仅能够降低漏电流，提高纳米发电机的效率，还可以存储纳米发电机所产生的电能，在需要的时候再对外连续稳定输出给用电器或能量密度更高的外部存储设备。本发明所述纳米压电微能源系统通过结构设计，实现了高效的发电、转换、存储、输出为一体。

技术领域

本发明属于纳米发电、储能和电源技术领域，具体涉及一种纳米压电微能源系统。

背景技术

随着便携、可穿戴设备的逐渐普及，电子产品的尺度和功耗的逐渐降低，极大地丰富和方便了人们的工作和生活。但这些器件的能量供给依然采用传统的化学电池作为主要的能量供应装置，尽管化学电池制备简单，使用方便，但是其供能持久性差，尺寸过大，且对环境有污染，不能满足微纳米尺度的电子器件的工作环境和供能要求，因而开发新的发电效率高、寿命长，微纳尺度的自发电能源系统是解决该类电子器件能源问题的关键。

现有技术中有文献首次报道了基于氧化锌的纳米压电微能源系统(Z.L.Wang，Science，2006，312，P₂₄₂.文中称现有技术一)，该文在导电基板上利用高温气相沉积方法(CVD)制备出了垂直阵列的氧化锌纳米棒，然后利用镀铂的硅探针去拨动单根氧化锌纳米棒使其产生形变，由于正压电效应，在探针和基板之间测得了电压和电流，从而获得了基于氧化锌的纳米压电发电机，如图1所示。该技术的缺点是这种结构仅使用探针拨动单根纳米线，虽然能产生电能，但是产生的电压和电流过小，成本昂贵，不具有实用价值。

另有文献(X.D.Wang，Science，2007，316，P₁₀₂.文中称现有技术二)报道利用高温CVD法制备的垂直生长的氧化锌作为压电材料，表面镀有金属铂的锯齿形硅片作为上电极，导电基板作为下电极，制备出纳米发电机，该种结构是利用上极板上的锯齿形结构刮蹭氧化锌纳米棒，然后由于压电效应产生电势差，进而经由上电极和下电极对外输出，如图2所示。该技术的缺点是这种结构仅仅考虑了纳米发电机发电的过程，电能只能直接对外输出，而且由于该种纳米发电机的结构局限性(漏电流巨大)，输出电压和电流都太小，效率很低，同时由于工作原理所限，只能输出脉冲式的电流，不具有实用价值。

还有报道(G Zhu，Nano Letters，2010，10，P₃₁₅₁.文中称现有技术三)将高温CVD法制备的氧化锌纳米棒转移平铺在柔性基板上，该柔性基板上事先通过微纳加工技术制备了多个平行排列的金电极条，在各个金电极之间连接了多个氧化锌纳米棒，然后反复弯曲该柔性基板以使氧化锌纳米棒发生形变，由于压电效应产生电压，如图3所示。相较于前两个报道，该发明并无本质的提高，电能只能直接对外输出，漏电流巨大，输出功率太小，效率很低，只能输出脉冲式的电流，无实用价值。另外，该种技术采用柔性基底，依靠反复弯曲来产生电能，器件的使用寿命很短。

进一步开发能够具备使用价值的纳米压电微能源系统具有重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米压电微能源系统，该系统能够降低漏电流，提高发电效率，还能存储发电所产生的电能，在需要时再对外连续稳定输出给用电器或能量密度更高的外部存储设备。

本发明采取的技术方案如下：

纳米压电微能源系统，从上至下依次包括上基板、上电极、电介质层、下电极、压电纳米材料、下基板；上基板、上电极、电介质层和下电极组成介电电容；压电纳米材料位于下基板与介电电容之间；所述系统具有正压电效应。

优选的，所述上电极镀在上基板上，所述电介质层涂覆于上电极上，所述下电极镀在电介质层上。