一文了解壓電納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用！

無線和便攜式納米級和微米級技術(shù)正越來越多地用于醫(yī)療植入物、環(huán)境控制、工業(yè)保護(hù)、國防設(shè)備和個(gè)人電子產(chǎn)品，包括化學(xué)傳感器和基于納米線的氣體以及用于納米設(shè)備的可編程納米線電路。直到最近，大多數(shù)微型和納米設(shè)備都依賴于老式能源，例如鋰離子電池的電源。盡管在長期效率和減小電池尺寸方面取得了進(jìn)步，但是相對較大的電池尺寸，不可避免的充電或更換要求在生產(chǎn)和操作這種電池時(shí)仍然構(gòu)成挑戰(zhàn)。
邁向納米級
壓電納米材料制造方法的最新進(jìn)展已導(dǎo)致較小的壓電發(fā)生器能夠代替更大的發(fā)生器。壓電材料收集環(huán)境中大量可用的機(jī)械能，例如氣流中的能量、機(jī)械振動(dòng)、雨滴和液壓，然后通過稱為“壓電效應(yīng)”的過程將其轉(zhuǎn)換為電能。壓電納米發(fā)電機(jī)是由Wang和Song于2006年首次提出的，他們能夠用原子力顯微鏡的尖端從氧化鋅納米線產(chǎn)生數(shù)毫伏的脈沖輸出電壓。由于可以將它們用于微米級和納米級電源系統(tǒng)，因此對這種納米發(fā)電機(jī)的最新興趣有所增加。
迄今為止，壓電納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并且包括撓性納米發(fā)電機(jī)在內(nèi)的種類很多。這些提供了一系列的機(jī)械能收集可能性。電壓已從幾毫伏增加到幾百伏，可用于驅(qū)動(dòng)LCD，LED和無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備。壓電納米發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括橫向排列的納米線網(wǎng)絡(luò)，垂直排列的納米線陣列和基于納米線的納米復(fù)合材料。
橫向排列的納米線網(wǎng)絡(luò)
在橫向排列的納米線壓電納米發(fā)電機(jī)中，通過彎曲基板或通過向納米線施加自由基方向的壓力來橫向彎曲納米線以使其變形。在這些過程中，納米線同樣彎曲。通過忽略根本產(chǎn)生的應(yīng)變，可以將一維納米結(jié)構(gòu)在橫向上的相等彎曲作用稱為橫向拉伸，這歸因于其極高的縱橫比。研究還表明，在相同的外部壓力下，橫向制造的壓電納米棒可以比垂直制造的納米棒產(chǎn)生更多的壓電電壓。這使得它們在壓電納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中很有用。
垂直排列的納米線陣列
在垂直排列的納米線陣列中，兩個(gè)單獨(dú)的工作模型用于納米發(fā)電機(jī)，例如垂直壓縮和橫向彎曲?？紤]到不同的機(jī)械和電氣配置，操作過程在各種方面都不相同，但在一種方面相似：壓電納米線的壓電特性和半導(dǎo)體行為耦合。如果在受到原子力顯微鏡（AFM）尖端的誘惑時(shí)納米線彎曲，則由于電子親和力和工作功能不同，肖特基勢壘會(huì)在其中發(fā)展。由于納米線外側(cè)和內(nèi)側(cè)的壓縮和拉伸，AFM尖端負(fù)責(zé)產(chǎn)生壓電電勢?？傮w而言，電子以圓形路徑在導(dǎo)線中流動(dòng)，并且將在測量儀器中檢測到輸出電流。
基于納米線的納米復(fù)合材料
基于納米線聚合物材料的復(fù)合材料被用于設(shè)計(jì)一種相對新型的壓電納米發(fā)電機(jī)。這些設(shè)備具有簡單的制造工藝和結(jié)構(gòu)，涉及四個(gè)工作層：正面和背面電極，至關(guān)重要的納米線復(fù)合層和柔性基板。這種多層結(jié)構(gòu)也類似于壓電陶瓷。盡管這些納米線復(fù)合材料的壓電性能可能不如陶瓷，但聚合物基體極大地增強(qiáng)了壓電納米發(fā)電機(jī)的柔韌性。鋯酸鈦酸鉛納米線也用于制造這些納米復(fù)合材料，并在手動(dòng)彎曲時(shí)可提供7 V的可實(shí)現(xiàn)輸出電壓。這種類型的納米發(fā)電機(jī)已展示出卓越的功率性能，以及可用于大規(guī)模生產(chǎn)的低成本和簡便制造技術(shù)。
壓電納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用
納米級壓電發(fā)生器將從人形手指的扭曲，人形肘部的釋放和折疊，甚至是真正的花栗鼠的賽車運(yùn)動(dòng)中提取生物力學(xué)能量。在制造壓電納米發(fā)電機(jī)方面已經(jīng)取得了進(jìn)展，該壓電納米發(fā)電機(jī)具有將機(jī)械能從鼠標(biāo)的脈搏和呼吸轉(zhuǎn)換為功率輸出的能力。除了人類和動(dòng)物產(chǎn)生的機(jī)械能以外，這些壓電納米發(fā)電機(jī)還可以提取生態(tài)系統(tǒng)中存在的某些其他類型的機(jī)械能。其中包括利用駕駛汽車產(chǎn)生的機(jī)械壓力和雨滴沖擊，以及氣流和液體的振動(dòng)影響。
結(jié)論
在過去的幾年中，壓電納米發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上的進(jìn)步極大地將其電壓產(chǎn)生從幾毫伏提高到了幾伏。這些納米發(fā)電機(jī)現(xiàn)在根據(jù)其如何在環(huán)境中收集機(jī)械能而部署在不同的領(lǐng)域。這些系統(tǒng)被用作為微電子設(shè)備，自供電傳感器，有源傳感器和混合電源模塊供電的電源。

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