本發(fā)明屬于壓電器件技術領域，涉及一種多疊層式納米壓電器件及其制備方法。
背景技術：
能源和環(huán)境保護是當今社會最為關心的問題，作為可進行機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的環(huán)保型功能材料，壓電材料在高科技工業(yè)生產(chǎn)領域正發(fā)揮越來越重要的作用。隨著科學技術的發(fā)展，超大規(guī)模集成電路的應用，電子器件小型化、便攜化正成為發(fā)展趨勢，與其配套的尺寸較小的電池及發(fā)電機越來越受到人們的重視，組成微米級自發(fā)電的納米壓電材料，具有工程安裝簡單、適用范圍廣、環(huán)保等優(yōu)點，正在成為研究熱點。專利cn201210583562.4一種壓電陶瓷-瀝青復合壓電材料及其制備方法，介紹了一種瀝青復合壓電材料，按重量份數(shù)由20-60份瀝青、312-624份壓電陶瓷粉和0-10份瀝青改性劑制備而成；專利cn201410735030.7一種具有壓電增強結(jié)構的含鉍壓電材料及其制備方法，介紹了一種通過將含鉍壓電材料進行單面還原，含鉍壓電材料被還原一面的鉍元素還原成金屬鉍，使得含鉍壓電材料中產(chǎn)生預應力，含鉍壓電材料由未還原一面向還原一面彎曲，從而形成的彎曲結(jié)構或拱形結(jié)構的含鉍壓電材料，其表觀d33可達10000pc/n。兩者的缺點都是陶瓷壓電材料，壓力大時易碎。專利cn201410733770.7撓曲電壓電材料，介紹了一種撓曲電壓電材料，所述撓曲電壓電材料由單面還原或雙面還原的鐵電材料形成，其中所述鐵電材料具有向還原面或向非還原面拱起的結(jié)構，可以在材料中形成化學組分的不均勻和拱形或彎曲結(jié)構，而且還原的鐵電材料具有高的撓曲電系數(shù)，從而獲得具有很高表觀壓電性能的撓曲電壓電材料。但其表觀d33最大只有1000-3500pc/n，且不穩(wěn)定。該專利的缺點是產(chǎn)生的是脈沖電流，不平穩(wěn)，表觀d33也較小。壓電材料還存在下列問題，1、壓電材料品種少、大都是陶瓷壓電材料，易碎、質(zhì)量不穩(wěn)定；2、受到振動頻率的影響較大，電能生產(chǎn)效率不高，價格昂貴等。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足,提供一種多疊層式納米壓電器件及其制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術方案：
一種多疊層式納米壓電器件,由至少五層疊層而成矩形結(jié)構體，依順序是氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2、氮摻雜石墨烯層3、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5五層壓合；在所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1的一側(cè)連接有銦錫氧化物電極ⅰ6，所述氮摻雜石墨烯層3的一側(cè)連接有石墨電極7，氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5的一側(cè)連接有銦錫氧化物電極ⅱ8。
進一步，上述所述的矩形結(jié)構體的尺寸為長x寬x厚＝(1～5cm)x(1～5cm)x(0.1～1.0cm)，其中，所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5的尺寸分別為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.1～0.5cm)，所述的n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2和n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4的尺寸分別為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.001～0.1cm)，所述的氮摻雜石墨烯層3的尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.00001～0.001cm)。
進一步，上述所述的電極連接分別是，采用低溫固相反應法形成氮摻雜石墨烯層3與石墨電極7肖特基接觸連接；采用合金高溫退火法實現(xiàn)銦錫氧化物電極6、8與所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、ⅱ5歐姆接觸連接。
進一步，上述所述的石墨電極7為普通石墨電極。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用另一技術方案是：
一種多疊層式納米壓電器件的制備方法,包括：
1、在聚苯乙烯薄膜上采用電化學均聚法將氮化鎵沉聚聚苯乙烯上制得氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5，具體步驟是：先用分析天平稱量氮化鎵，放入到裝有磁轉(zhuǎn)子的容器中，倒入濃度為0.1～1.0mol/l的h2so4緩沖溶液，放在磁力攪拌器上攪拌均勻，將碳玻電極表面涂上一層聚苯乙烯與甘汞電極組成電極系統(tǒng)，之后在-0.2v～1.2v電位下，以10～100mvs-1的速率進行50～150圈掃描，剝離碳玻電極表面的涂層，水洗后干燥,經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.1～0.5cm)的氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)材料；
2、采用氣—液—固催化反應制備n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2和n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4，具體步驟是：先在ito上點種氧化鋅納米粒子，采用金納米顆粒作為催化劑，在濃度為0.1～1.0mol/l的氧化鋅溶液中催化并引導氧化鋅納米線陣列生長，調(diào)節(jié)催化劑濃度為0.001～0.003mol/l，水熱反應時間為4h～8h，溫度為75～90℃，控制和調(diào)節(jié)氧化鋅納米線陣列的形貌和構型；然后將獲得的氧化鋅納米線陣列洗滌、烘干處理后，浸泡在濃度為0.001～0.005mol/l的硝酸銀乙醇溶液中，通過控制硝酸銀的光曝時間為30s～2mmin，經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.001～0.1cm)的n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列壓電材料；
3、氮摻雜石墨烯層(3)的制備，具體步驟是：按質(zhì)量比，將苦味酸：氧化石墨烯：尿素＝1：(3-8)：(3-20)混合均勻后，裝入爆炸反應釜，緩慢升溫至320～420℃引發(fā)爆炸，爆炸發(fā)生后維持溫度為330～400℃，溫度維持時間為0.5～2h，冷卻反應釜至室溫，緩慢釋放氣體后收集固體產(chǎn)物，依次采用蒸餾水和乙醇洗滌多次后烘干，經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.00001～0.001cm)的氮摻雜石墨烯材料；
4、銦錫氧化物電極的制備，具體過程是：在10-2pa～10pa的真空條件下，將金屬銦采用輝光放電以獲得動能，外加電壓為220～380v，電流為10～20a,通過濺射方式轟擊氧化錫靶材料表面，形成濺射鍍膜得到銦錫氧化物電極；
5、將制得的氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)材料，n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列壓電材料依順序按照氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2、氮摻雜石墨烯層3、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5疊層，在常溫常壓下壓合；并在所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ(1)和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ(5)的一側(cè)分別連接銦錫氧化物電極6和8(采用合金高溫退火法進行歐姆接觸)，在所述氮摻雜石墨烯層(3)的一側(cè)與石墨電極(7)連接(采用低溫固相反應法形成肖特基接觸)，制得尺寸為長x寬x厚＝(1～5cm)x(1～5cm)x(0.1～1.0cm)的五層疊層式納米壓電器件。
進一步，上述所述氧化鋅納米粒子的粒徑為20～60nm。
與現(xiàn)技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果主要有：
1、本發(fā)明制得的納米壓電器件，有較好的壓電性能，由脈沖電流轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定輸出電流，其穩(wěn)定輸出電壓可達1.52v/cm2，電流11μa，縱向機電耦合系數(shù)k33達0.88，壓電系數(shù)d33達12270pc/n。
2、本發(fā)明制得的納米壓電器件，是由納米材料組成，其中，銀摻雜的氧化鋅納米線陣列壓電材料有著較好的電性能和較強的力學性能，氮摻雜石墨烯層有較強的力學性能，同時納米線的類型(n型或者p型)和摻雜比例直接影響到勢壘高度，金屬與半導體的接觸方式(肖特基接觸/歐姆接觸)影響到壓電材料的電流-電壓特性曲線和勢壘高度，而勢壘高度的改變能影響輸出的電壓和電流強度，氮摻雜石墨烯層具有良好的半導體特性和儲電性能，能有效地改善電流穩(wěn)定輸出狀況。本發(fā)明制得的納米壓電器件，機械強度大，不易碎，結(jié)構牢固。
3、本發(fā)明的納米壓電器件，生產(chǎn)工藝簡單，成本低，體積小，可組建納米壓電發(fā)電機，并且并聯(lián)和串聯(lián)可組建規(guī)模較大的壓電發(fā)電機，產(chǎn)生較大的壓電電量?？蓮V泛應用于日常生活和野外作業(yè)中，是一種無源、環(huán)保型供電材料，在軍事、航天航空、船舶等領域有廣泛應用。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的多疊層式納米壓電器件構造示意圖；
圖中：1.為氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層??；2.為n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層??；3.為氮摻雜石墨烯層；4.為n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ；5.為氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ；6.為銦錫氧化物電極??；7.為石墨電極；8.為銦錫氧化物電極ⅱ。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
如附圖1所示，為本發(fā)明的一種多疊層式納米壓電器件,由五層疊層而成矩形結(jié)構體，依順序是氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2、氮摻雜石墨烯層3、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5五層壓合；在所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1的一側(cè)連接有銦錫氧化物電極ⅰ6，所述氮摻雜石墨烯層3的一側(cè)連接有石墨電極7，氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5的一側(cè)連接有銦錫氧化物電極ⅱ8。
其中，所述的矩形結(jié)構體的尺寸為長x寬x厚＝(1～5cm)x(1～5cm)x(0.1～1.0cm)，其中，所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5的尺寸分別為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.1～0.5cm)，所述的n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2和n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4的尺寸分別為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.001～0.1cm)，所述的氮摻雜石墨烯層3的尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.00001～0.001cm)。
所述的電極連接分別是，采用低溫固相反應法形成氮摻雜石墨烯層3與石墨電極7肖特基接觸；采用合金高溫退火法實現(xiàn)銦錫氧化物電極6、8與所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、ⅱ5歐姆接觸。
上述所述的石墨電極7為普通石墨電極。
本發(fā)明的一種多疊層式納米壓電器件的制備方法,具體包括：
1、在聚苯乙烯薄膜上采用電化學均聚法將氮化鎵沉聚聚苯乙烯上制得氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5，具體步驟是：先用分析天平稱量氮化鎵，放入到裝有磁轉(zhuǎn)子的容器中，倒入濃度為0.1～1.0mol/l的h2so4緩沖溶液，放在磁力攪拌器上攪拌均勻，將碳玻電極表面涂上一層聚苯乙烯與甘汞電極組成電極系統(tǒng)，之后在-0.2v～1.2v電位下，以10～100mvs-1的速率進行50～150圈掃描，剝離碳玻電極表面的涂層，水洗后干燥,經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.1～0.5cm)的氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)材料；
2、采用氣—液—固催化反應制備n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2和n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4的制備，具體步驟是：先在導電玻璃(ito)上點種粒徑為20～60nm的氧化鋅納米粒子，采用金納米顆粒作為催化劑，在濃度為0.1～1.0mol/l的氧化鋅溶液中催化并引導氧化鋅納米線陣列生長，調(diào)節(jié)催化劑濃度為0.001～0.003mol/l，水熱反應時間為4h～8h，溫度為75～90℃，控制和調(diào)節(jié)氧化鋅納米線陣列的形貌和構型；然后將獲得的氧化鋅納米線陣列洗滌、烘干處理后，浸泡在濃度為0.001～0.005mol/l的硝酸銀乙醇溶液中，通過控制硝酸銀的光曝時間為30s～2mmin，經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.001～0.1cm)的n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列壓電材料；
3、氮摻雜石墨烯層(3)的制備，具體步驟是：按質(zhì)量比，將苦味酸：氧化石墨烯：尿素＝1：(3-8)：(3-20)混合均勻后，裝入爆炸反應釜，緩慢升溫至320～420℃引發(fā)爆炸，爆炸發(fā)生后維持溫度為330～400℃，溫度維持時間為0.5～2h，冷卻反應釜至室溫，緩慢釋放氣體后收集固體產(chǎn)物，依次采用蒸餾水和乙醇洗滌多次后烘干，經(jīng)裁剪工藝制得尺寸為長x寬x厚＝(0.1～1.0cm)x(0.1～1.0cm)x(0.00001～0.001cm)的氮摻雜石墨烯材料；
4、銦錫氧化物電極的制備，具體過程是：在10-2pa～10pa的真空條件下，將金屬銦采用輝光放電以獲得動能，外加電壓為220～380v，電流為10～20a,通過濺射方式轟擊氧化錫靶材料表面，形成濺射鍍膜得到銦錫氧化物電極；
5、將制得的氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)材料，n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列壓電材料依順序按照氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ1、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅰ2、氮摻雜石墨烯層3、n型銀摻雜氧化鋅納米線陣列層ⅱ4和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ5疊層，在常溫常壓下壓合；并在所述氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅰ(1)和氮化鎵-聚苯乙烯基質(zhì)層ⅱ(5)的一側(cè)分別連接銦錫氧化物電極6和8(采用合金高溫退火法進行歐姆接觸)，在所述氮摻雜石墨烯層(3)的一側(cè)與石墨電極(7)連接(采用低溫固相反應法形成肖特基接觸)，制得尺寸為長x寬x厚＝(1～5cm)x(1～5cm)x(0.1～1.0cm)的五層疊層式納米壓電器件。
按照以上制備方法，所進行的6個實施例所制得的樣品，經(jīng)壓電性能測試，其測試結(jié)果是：電壓為1.32～1.52v/cm2，電流為9～11μa，功率為7～9μw，頻率為為12～15hz，縱向機電耦合系數(shù)k33為0.83～0.88,壓電系數(shù)d33為12030壓電系數(shù)為12030～12270pc/n。