壓電和摩擦電混合納米發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，屬于納米【技術(shù)領(lǐng)域】。該納米發(fā)電機包括：第一高分子聚合物絕緣層；第一電極，位于第一高分子聚合物絕緣層的表面上；第二高分子聚合物絕緣層；第二電極，位于第二高分子聚合物絕緣層的表面上；居間薄膜，位于第一和第二高分子聚合物絕緣層之間；第一壓電納米線陣列，垂直生長在第一電極上；第三高分子聚合物絕緣層，覆蓋在第一壓電納米線陣列上；第三電極，位于第三高分子聚合物絕緣層的表面上；第二壓電納米線陣列，垂直生長在第二電極上；第四高分子聚合物絕緣層，覆蓋在第二壓電納米線陣列上；第四電極，位于第四高分子聚合物絕緣層的表面上。采用本發(fā)明提供的納米發(fā)電機能大大提高發(fā)電效率。
【專利說明】壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說，涉及一種壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機。【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。納米科學(xué)的概念是在20世紀(jì)80年代初提出的，現(xiàn)如今納米技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到材料、機械、電子、生物、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。其中，納米發(fā)電機是納米技術(shù)的一種新型應(yīng)用，它利用氧化鋅納米棒陣列的半導(dǎo)體和壓電性質(zhì)，在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，從而輸出直流電流。納米發(fā)電機可以利用的機械能包括機械振動、風(fēng)動能、水流的動能以及肌肉伸縮的能量。納米發(fā)電機的發(fā)明可以整合納米器件，實現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)。
[0003]但是，現(xiàn)有的納米發(fā)電機存在許多不足之處，主要表現(xiàn)在其輸出電流或單位面積的輸出功率不是很高，導(dǎo)致它的發(fā)電效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，用以提聞發(fā)電效率。
[0005]本發(fā)明提供了一種壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，包括:
[0006]第一高分子聚合物絕緣層；
[0007]第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0008]第二高分子聚合物絕緣層；
[0009]第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0010]居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面接觸，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面固定；
[0011]第一壓電納米線陣列，垂直生長在所述第一電極上；
[0012]第三高分子聚合物絕緣層，覆蓋在所述第一壓電納米線陣列上；
[0013]第三電極，位于所述第三高分子聚合物絕緣層的表面上；
[0014]第二壓電納米線陣列，垂直生長在所述第二電極上；
[0015]第四高分子聚合物絕緣層，覆蓋在所述第二壓電納米線陣列上；
[0016]第四電極，位于所述第四高分子聚合物絕緣層的表面上；
[0017]所述第一電極、第二電極、第三電極和第四電極是所述壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的輸出電極。
[0018]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)不同，所述第二高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)不同。
[0019]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層、所述第四高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)各不相同。
[0020]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層的材質(zhì)相同，但與所述居間薄膜的材質(zhì)不同。
[0021]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層分別選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一種，所述居間薄膜選自其中與所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層不同的另外一種。
[0022]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層、第一電極、第二高分子聚合物絕緣層、第二電極、居間薄膜、第三高分子聚合物絕緣層、第三電極、第四高分子聚合物絕緣層、第四電極均為柔性平板結(jié)構(gòu)，它們通過彎曲或變形造成壓電發(fā)電和摩擦起電。
[0023]進一步的，所述居間薄膜一側(cè)表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0024]進一步的，所述居間薄膜一側(cè)表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為有規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)，所述凹凸結(jié)構(gòu)為條紋狀、立方體型、四棱錐型或圓柱形中的任意一種。
[0025]進一步的，所述第一電極、所述第二電極、所述第三電極和所述第四電極為金屬薄膜，所述金屬薄膜選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的任意一種。
[0026]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層的厚度為100 μ m-500 μ m ;所述居間薄膜的厚度為50 μ m-100 μ m ;所述微納凹凸結(jié)構(gòu)的凸起高度小于或等于10 μ m。
[0027]本發(fā)明提供的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上包括摩擦電發(fā)電機部分和兩個壓電發(fā)電機部分，相當(dāng)于在單個混合納米發(fā)電機中實現(xiàn)三個納米發(fā)電機的并聯(lián)，總的輸出電流以并聯(lián)的方式被增強，大大提高了納米發(fā)電機的發(fā)電效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1示出了本發(fā)明提供的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機一實施例的截面示意圖；
[0029]圖2a示出了用于制作本發(fā)明的居間薄膜的圖形化的硅模板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2b示出了在圖2a的硅模板上涂敷了本發(fā)明的居間薄膜的示意圖；
[0031]圖2c至圖2e示出了不同圖形化的硅模板以及通過其制作出的具有不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的分解示意圖；
[0032]圖3a至圖3c示出了本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機中具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的示意圖；[0033]圖4示出了圖1所示的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機彎曲時的截面示意圖；
[0034]圖5示出了圖1所示的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機與外電路連接的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本發(fā)明做詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不僅僅限于此。
[0036]圖1示出的是本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的一種典型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機包括第一和第二壓電發(fā)電機部分和一個位于所述第一和第二壓電發(fā)電機部分之間的摩擦電發(fā)電機部分。優(yōu)選地，所述摩擦電發(fā)電機部分分別與第一和第二壓電發(fā)電機部分共用一個電極。如圖1所示，所述摩擦電發(fā)電機部分由第一電極11、第一高分子聚合物絕緣層10、居間薄膜14、第二高分子聚合物絕緣層12和第二電極13構(gòu)成。具體地，第一電極11位于第一高分子聚合物絕緣層10的第一側(cè)表面IOa上，第二電極13位于第二高分子聚合物絕緣層12的第一側(cè)表面12a上。第一電極11和第二電極13可以為導(dǎo)電的金屬薄膜，其可以通過真空濺射法或蒸鍍法鍍在相應(yīng)的高分子聚合物絕緣層的表面上。居間薄膜14也是一高分子聚合物絕緣層，它位于第一高分子聚合物絕緣層10和第二高分子聚合物絕緣層12之間。居間薄膜14的一側(cè)表面具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)。其中，居間薄膜14的未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)固定在所述第二高分子聚合物絕緣層12的第二側(cè)表面12b上，固定的方法可以是用一層薄的未固化的高分子聚合物絕緣層作為粘結(jié)層，經(jīng)過固化后，居間薄膜14將牢牢地固定于第二高分子聚合物絕緣層12上。居間薄膜14設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與第一高分子聚合物絕緣層10的第二側(cè)表面IOb接觸，兩者之間形成一個摩擦界面。由此，最終形成一個類似三明治結(jié)構(gòu)的器件，即本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的摩擦電發(fā)電機部分。
[0037]圖1示出了具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜14，但居間薄膜14的微納凹凸結(jié)構(gòu)并不限于此，其還可以制作成其它形狀，例如可以為如圖3a所示的條紋狀、如圖3b所示的立方體型、如圖3c所示的四棱錐型、或圓柱形等等。另外，所述居間薄膜14的微納凹凸結(jié)構(gòu)通常為有規(guī)律的納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0038]關(guān)于本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的摩擦電發(fā)電機部分中的居間薄膜，可以采用先制作圖形化的硅模板，然后以圖形化的硅模板為模具來制作居間薄膜的制作方法。下面結(jié)合圖2a_2e和3a_3c具體說明。
[0039]圖2a示出了用于制作本發(fā)明的居間薄膜的圖形化的硅模板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b示出了在圖2a的硅模板上涂敷了本發(fā)明的居間薄膜的示意圖；圖2(:至圖2e示出了不同圖形化的硅模板以及通過其制作出的具有不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的分解示意圖。
[0040]如圖2a所示的圖形化的硅模板的具體制作方法如下:首先采用光刻的方法在4英寸(100)晶向的硅片表面上制作出規(guī)則的圖形；然后對制作好規(guī)則的圖形的硅片通過相應(yīng)的刻蝕工藝，刻蝕出與微納凹凸結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的陣列結(jié)構(gòu)。例如，通過濕刻的工藝進行各向異性刻蝕，可以刻蝕出凹形的四棱錐陣列結(jié)構(gòu)，或者通過干刻的工藝進行各向同性刻蝕，可以刻蝕出凹形的立方體陣列結(jié)構(gòu)。將刻蝕了相應(yīng)形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的陣列結(jié)構(gòu)硅片用丙酮和異丙醇清洗干凈，然后將硅片在三甲基氯硅烷(例如Sigma Aldrich公司制作的)的氣氛環(huán)境中進行表面硅烷化的處理，從而形成所需的圖形化的硅模板，供制作居間薄膜待用。
[0041]接下來，說明如何制作具有微納凹凸結(jié)構(gòu)表面的居間薄膜。這里以選用聚二甲基硅氧烷(以下簡稱PDMS)材質(zhì)制作居間薄膜為例，首先將PDMS前軀體和固化劑(例如Sylgard 184，Tow Corning)以10:1的質(zhì)量比混合形成混合物,然后將所述混合物涂覆于例如圖2a所示的制作好的圖形化的硅模板表面，如圖2b所示，經(jīng)過真空脫氣過程后，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式去掉涂覆于硅模板表面上的多余的混合物，以使所涂覆的混合物在硅模板表面上形成一層均勻的薄薄的PDMS液體膜。之后，將涂覆有TOMS液體膜的整個硅模板在85攝氏度的環(huán)境中固化I小時，這時一層均勻的具有特定微凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜(由PDMS液體膜固化而成)就能從硅模板上剝離下來，從而形成本發(fā)明的居間薄膜，即:具有特定形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜。
[0042]圖2c_2e分別示出了利用上述方法制作出的三種不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜的硅模板以及所制作出的相應(yīng)的PDMS薄膜的分解示意圖，其中圖2c示出了具有條紋狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜、圖2d示出了具有立方體型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜和圖2e示出了具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜。這三種形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面顯微結(jié)構(gòu)圖如圖3a-3c所示，每個PDMS薄膜的陣列單元(即圖中的凸起)大小被限制為約ΙΟμπι。具有更小尺度單元的圖形陣列同樣能夠被制備出來，其尺度可以小到5 μ m,而且具有同樣的高質(zhì)量特征。圖3a-3c示出了微納凹凸結(jié)構(gòu)的陣列單元，圖中與黑色粗線(位于100 μ m下)同樣大小的長度即表示實物100 μ m的長度。另外，每個圖的右上方還示出了 45°傾斜角度拍攝的居間薄膜的微納凹凸結(jié)構(gòu)的高放大率的SHM照片，圖中與黑色粗線(位于5 μ m下)同樣大小的長度即表示實物5 μ m的長度。由高分辨率的SEM照片看出，居間薄膜的微納凹凸陣列結(jié)構(gòu)都非常均勻和規(guī)則。由此可知，通過本發(fā)明的上述方法可以制備大尺度均勻的塑性微結(jié)構(gòu)。另外，對于具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的居間薄膜，由圖3c所示可知，每個四棱錐單元都有一個完整的四棱錐的幾何結(jié)構(gòu)的銳利尖端，這將有利于其在發(fā)電過程中增加摩擦面積和提高納米發(fā)電機的電能輸出效率。此夕卜，制備好的PDMS薄膜(即居間薄膜)具有很好的伸縮性和透明性。
[0043]本發(fā)明提供的混合納米發(fā)電機的第一壓電發(fā)電機部分包括第三電極17、第三高分子聚合物絕緣層16、第一壓電納米線陣列15和第一電極11，其中，該第一壓電發(fā)電機部分與摩擦電發(fā)電部分共用第一電極11。具體地，第一壓電納米線陣列15垂直生長在第一電極11的一表面上，第一電極11的另一表面與第一高分子聚合物絕緣層10鍍在一起，第三高分子聚合物絕緣層16覆蓋在第一壓電納米線陣列15上，第三電極17位于第三高分子聚合物絕緣層16的表面。第一壓電發(fā)電機部分的制作方法具體為:在如上關(guān)于摩擦電發(fā)電部分中的鍍在第一高分子聚合物絕緣層10的表面上的第一電極11之上，通過射頻濺射的方法鍍壓電材料(例如ZnO)種子層。在壓電材料種子層上，采用濕化學(xué)法生長壓電納米線陣列，形成第一壓電納米線陣列15。完成第一壓電納米線陣列15的生長后，對其進行加熱退火，然后通過旋涂在第一壓電納米線陣列15上覆蓋高分子聚合物絕緣層，以形成第三高分子聚合物絕緣層16。最后在第三高分子聚合物絕緣層16上涂覆第三電極17。所述第三電極17也是通過射頻濺射的方法將金屬氧化物(例如ΙΤ0)和壓電材料(例如ZnO)種子層鍍在第三高分子聚合物絕緣層16上形成金屬氧化物涂層而得到。
[0044]本發(fā)明提供的混合納米發(fā)電機的第二壓電發(fā)電機部分包括第四電極20、第四高分子聚合物絕緣層19、第二壓電納米線陣列18和第二電極13，其中，該第二壓電發(fā)電機部分與摩擦電發(fā)電部分共用第二電極13。具體地，第二壓電納米線陣列18垂直生長在第二電極13的一表面上，第二電極13的另一表面與第二高分子聚合物絕緣層12鍍在一起，第四高分子聚合物絕緣層19覆蓋在第二壓電納米線陣列18上，第四電極20位于第四高分子聚合物絕緣層19的表面。第二壓電發(fā)電機部分的制作方法具體為:在如上關(guān)于摩擦電發(fā)電部分中的鍍在第二高分子聚合物絕緣層12的表面上的第二電極13之上，通過射頻濺射的方法鍍壓電材料(例如ZnO)種子層。在壓電材料種子層上，采用濕化學(xué)法生長壓電納米線陣列，形成第二壓電納米線陣列18。完成壓電納米線陣列的生長后，對其進行加熱退火，然后通過旋涂在第二壓電納米線陣列18上覆蓋高分子聚合物絕緣層，以形成第四高分子聚合物絕緣層19。最后在第四高分子聚合物絕緣層19上涂覆第四電極20。所述第四電極20也是通過射頻濺射的方法將金屬氧化物(例如ΙΤ0)和壓電材料(例如ZnO)種子層鍍在第四高分子聚合物絕緣層19上形成金屬氧化物涂層而得到。
[0045]上述第一和第二壓電納米發(fā)電機部分和摩擦電發(fā)電機部分的制作方法僅為一個實施例，還可以采用其他的制作方法形成上述第一和第二壓電納米發(fā)電機部分以及摩擦電發(fā)電機部分的具體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對此不做限制。
[0046]作為一個優(yōu)選實施例，由于第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層都是與居間薄膜直接接觸的，只要保證第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層兩者均與居間薄膜的材質(zhì)不同即可。作為另一個優(yōu)選實施例，第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、第三高分子聚合物絕緣層、第四高分子聚合物絕緣層和居間薄膜的材質(zhì)也可以各不相同。作為又一個優(yōu)選實施例，第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、第三高分子聚合物絕緣層和第四高分子聚合物絕緣層的材質(zhì)可以相同，但均與居間薄膜的材質(zhì)不同。
[0047]具體地，第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、第三高分子聚合物絕緣層和第四高分子聚合物絕緣層分別選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖 維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一種。居間薄膜選自其中與第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層不同的另外一種。
[0048]上述實施例中的第一電極11、第二電極13、第三電極17和第四電極20均為金屬薄膜，金屬薄膜可以選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的任意一種。
[0049]優(yōu)選地，第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、第三高分子聚合物絕緣層和第四高分子聚合物絕緣層的厚度為ΙΟΟμ---δΟΟμπ?;居間薄膜的厚度為50 μ m-100 μ m ;微納凹凸結(jié)構(gòu)的凸起高度小于或等于10 μ m。
[0050]上述第一高分子聚合物絕緣層、第一電極、第二高分子聚合物絕緣層、第二電極、居間薄膜、第三高分子聚合物絕緣層、第三電極、第四高分子聚合物絕緣層和第四電極均為柔性平板結(jié)構(gòu)，它們通過彎曲或變形造成壓電發(fā)電和摩擦起電。
[0051 ] 下面結(jié)合圖4和圖5分別介紹摩擦電發(fā)電機部分和兩個壓電發(fā)電機部分的發(fā)電原理。其中，圖4示出了圖1所示的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機彎曲時的截面示意圖；圖5示出了圖1所示的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機與外電路連接的示意圖。
[0052]如圖5所示，對于摩擦電發(fā)電機部分，第一電極11和第二電極13是摩擦電發(fā)電機電流的輸出電極，這兩個電極通過電流表30而連接在一起,其中經(jīng)由電流表30連接第一電極11和第二電極13的電路稱為摩擦電發(fā)電機部分的外電路。如圖4所示，當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層向下彎曲時，摩擦電發(fā)電機部分中的居間薄膜14具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與第一高分子聚合物絕緣層10表面相互摩擦產(chǎn)生靜電荷，靜電荷的產(chǎn)生會使第一電極11和第二電極13之間的電容發(fā)生改變，從而導(dǎo)致第一電極11和第二電極13之間出現(xiàn)電勢差。由于第一電極11和第二電極13之間的電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側(cè)電極即第一電極11流向電勢高的一側(cè)電極即第二電極13，從而在外電路中形成電流，即在電流表30中有電流流過。當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層恢復(fù)到原來狀態(tài)時，摩擦電發(fā)電機部分中的各層恢復(fù)到其原來的平板狀態(tài)，這時形成在第一電極11和第二電極13之間的內(nèi)電勢消失，由于整個摩擦電發(fā)電機部分內(nèi)部第一電極11與居間薄膜14之間的第一高分子聚合物絕緣層10以及第二電極13與居間薄膜14之間的第二高分子聚合物絕緣層12都是絕緣結(jié)構(gòu)，該絕緣結(jié)構(gòu)可以防止自由電子在摩擦電發(fā)電機部分內(nèi)部中和，此時已平衡的第一電極11和第二電極13之間將再次產(chǎn)生反向的電勢差，則自由電子通過外電路從第二電極13回到原來的一側(cè)電極即第一電極11，從而在外電路中形成反向電流。這就是摩擦發(fā)電機部分的發(fā)電原理。如圖5所75,對于第一壓電發(fā)電機部分,第一電極11和第三電極17是其電流的輸出電極，第一電極11和第三電極17之間外接有電流表31 ;對于第二壓電發(fā)電機部分，第二電極13和第四電極20是其電流的輸出電極，第二電極13和第四電極20之間外接有電流表32。第一和第二壓電發(fā)電機部分主要靠位于兩個電極之間的壓電納米材料在發(fā)生彎曲和恢復(fù)的過程中產(chǎn)生的壓電效應(yīng)而發(fā)電。如圖4所示，當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層向下彎曲時，在第一壓電發(fā)電機部分中，第一壓電納米線陣列15發(fā)生彎曲而處于拉伸狀態(tài)，以壓電材料為ZnO為例，由于其生長方向?qū)?yīng)于ZnO晶體的C軸方向，因ZnO材料壓電效應(yīng)的存在將會在第一壓電納米線陣列15的頂端產(chǎn)生高的電勢，在第一壓電納米線陣列15的底部產(chǎn)生低的電勢。此時，如果外電路是導(dǎo)通狀態(tài)，例如如圖5所示，第一電極11與第三電極17通過電流表31連接，那么自由電子將從電勢較低的底部的第一電極11流向電勢較高的頂部的第三電極17，從而在第一壓電發(fā)電機部分的外電路中形成電流，即有電流從電流表31流過。而第一壓電納米線陣列15上方的第三高分子聚合物絕緣層16將防止電子在內(nèi)部中和。當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層恢復(fù)到原來狀態(tài)時，第一壓電發(fā)電機部分中的各層也恢復(fù)其原來的平板狀態(tài)，因ZnO材料壓電效應(yīng)的存在將會在第一壓電納米線陣列15的頂端與底端之間再次產(chǎn)生電勢差，這時自由電子將從第三電極17經(jīng)由外電路(即，經(jīng)電流表連接第一電極11與第三電極17的電路)流回到原來的一側(cè)電極即第一電極11上，從而在外電路中形成反向電流。第二壓電發(fā)電機部分的發(fā)電原理與上面所述的第一壓電發(fā)電機部分的發(fā)電原理類似，當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層向下彎曲時，第一壓電發(fā)電機部分中的第一壓電納米線陣列15處于拉伸狀態(tài)，而第二壓電發(fā)電機部分的第二壓電納米線陣列18處于壓縮狀態(tài)，因ZnO材料壓電效應(yīng)的存在將會在第二壓電納米線陣列18的頂端(因為第二壓電納米線陣列18是向下生長的，它的頂端對應(yīng)于圖中第二壓電納米線陣列18的下部)產(chǎn)生低的電勢，在第二壓電納米線陣列18的底部(對應(yīng)于圖中第二壓電納米線陣列18的上部)產(chǎn)生高的電勢。此時，如果外電路是導(dǎo)通狀態(tài)，例如如圖5所示，第二電極13和第四電極20通過電流表32連接，那么自由電子將從電勢較低的第四電極20流向電勢較高的第二電極13，從而在第二壓電發(fā)電機部分的外電路中形成電流，即有電流從電流表32流過。而第二壓電納米線陣列18頂端的第四高分子聚合物絕緣層19將防止電子在內(nèi)部中和。當(dāng)本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的各層恢復(fù)到原來狀態(tài)時，第二壓電發(fā)電機部分中的各層也恢復(fù)其原來的平板狀態(tài)，因ZnO材料壓電效應(yīng)的存在將會在第一壓電納米線陣列18的頂端與底端之間再次產(chǎn)生電勢差，這時自由電子將從第二電極13經(jīng)由外電路(即，經(jīng)電流表連接第二電極13與第四電極20的電路)流回到原來的一側(cè)電極即第四電極20上，從而在外電路中形成反向電流。由于兩組壓電發(fā)電機部分相對獨立的，因此二者相互之間無影響。綜上所述，在本發(fā)明的混合納米發(fā)電機由三部分組成，即兩個壓電發(fā)電機部分和位于所述兩個壓電發(fā)電機部分之間的一個摩擦電發(fā)電機部分。當(dāng)將第一電極11和第四電極20連接在一起作為一個輸出支路，第二電極13和第三電極17連接在一起作為一個輸出支路的時候，這三部分滿足基本電路連接的線性疊加原理，即無論正向疊加或反向疊加時，總的輸出電流都可以以并聯(lián)的方式被增強。因此，當(dāng)使用本發(fā)明提供的混合納米發(fā)電機時，相當(dāng)于在單個混合納米發(fā)電機中可以實現(xiàn)三個納米發(fā)電機(兩個壓電納米發(fā)電機和一個摩擦電納米發(fā)電機)的并聯(lián)，使得納米發(fā)電機的發(fā)電效率得到明顯提升。
[0053]此外，為了更加有效地提高輸出電流或單位面積的輸出功率，提高發(fā)電效率，也可以在本發(fā)明的混合納米發(fā)電機之上再裝配多層混合納米發(fā)電機。例如，可以將多個本發(fā)明的混合納米發(fā)電機疊加在一起而形成多層混合納米發(fā)電機，也可以根據(jù)需要在本發(fā)明的具有上述三個納米發(fā)電機的混合納米發(fā)電機之外再分別層疊多個壓電發(fā)電機和/或摩擦電發(fā)電機，其中在本發(fā)明的混合納米發(fā)電機之外層疊的壓電發(fā)電機和/或摩擦電發(fā)電機不限于按照本發(fā)明的混合納米發(fā)電機的方式進行制作，例如，可以連續(xù)層疊多個壓電發(fā)電機或摩擦電發(fā)電機，也可以交叉層疊壓電發(fā)電機和摩擦電發(fā)電機。
[0054]下面通過一個具體例子進一步詳細(xì)描述本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機。
[0055]在本實施例中，關(guān)于本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的摩擦電發(fā)電機部分，其中第一電極11由銦錫氧化物(ITO)導(dǎo)電薄膜制作；第一高分子聚合物絕緣層10由聚對苯二甲酸乙二醇酯(以下簡稱PET)制作；居間薄膜14由具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)的PDMS制作；第二高分子聚合物絕緣層12由PET制作；其中第一電極11和第二電極13作為電流的輸出電極，如圖5所示,二者通過電流表而連接在一起。
[0056]所述摩擦電發(fā)電機部分的具體制作方法為:所述第一電極11、第一高分子聚合物絕緣層10、居間薄膜14、第二高分子聚合物絕緣層12和第二電極13如上面圖1所示依次層疊而形成類似于“三明治”的結(jié)構(gòu)，具體地，第一電極11通過蒸鍍法鍍在第一高分子聚合物絕緣層10的表面上；居間薄膜14的具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與第一高分子聚合物絕緣層10接觸，其未具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與第二高分子聚合物絕緣層12緊密貼合在一起；第二電極13通過蒸鍍法鍍在第二高分子聚合物絕緣層12的表面上。[0057]在本實施例中，關(guān)于本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的第一壓電發(fā)電機部分，其中第三電極17由ITO導(dǎo)電薄膜制作；第三高分子聚合物絕緣層16由聚甲基丙烯酸甲酯(以下簡稱PMMA)制作；第一壓電納米線陣列15由ZnO納米線陣列制作。其中第三電極17和第一電極11作為電流的輸出電極，如圖5所不,二者通過電流表而連接在一起。
[0058]所述第一壓電發(fā)電機部分的具體制作方法為:在如上關(guān)于摩擦電發(fā)電部分中的鍍在第一高分子聚合物絕緣層10的表面上的第一電極11之上，通過射頻濺射的方法鍍ZnO壓電材料種子層；在ZnO壓電材料種子層上，采用濕化學(xué)法生長ZnO納米線陣列，形成第一壓電納米線陣列15 ;在完成ZnO納米線陣列的生長后，對其進行加熱退火，然后通過旋涂覆蓋ZnO納米線陣列的PMMA層，形成第三高分子聚合物絕緣層16 ;最后在第三高分子聚合物絕緣層16上涂覆ITO導(dǎo)電薄膜，該 0導(dǎo)電薄膜即用作第三電極17。
[0059]在本實施例中，關(guān)于本發(fā)明的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的第二壓電發(fā)電機部分，其中第四電極20由ITO導(dǎo)電薄膜制作；第四高分子聚合物絕緣層19由PMMA制作；第二壓電納米線陣列18由ZnO納米線陣列制作。其中第四電極20和第二電極13作為電流的輸出電極，如圖5所示，二者通過電流表而連接在一起。
[0060]所述第二壓電發(fā)電機部分的具體制作方法為:在如上關(guān)于摩擦電發(fā)電部分中的鍍在第二高分子聚合物絕緣層12的表面上的第二電極13之上，通過射頻濺射的方法鍍ZnO壓電材料種子層；在ZnO壓電材料種子層上，采用濕化學(xué)法生長ZnO納米線陣列，形成第二壓電納米線陣列18 ;完成ZnO納米線陣列的生長后，對其進行加熱退火，然后通過旋涂覆蓋ZnO納米線陣列的PMMA層，形成第四高分子聚合物絕緣層19 ;最后在第四高分子聚合物絕緣層19上涂覆ITO導(dǎo)電薄膜，該ITO導(dǎo)電薄膜即用作第四電極20。
[0061]利用本發(fā)明的上述實施例所提供的混合納米發(fā)電機，當(dāng)其有效尺寸為
4.5cmX 1.2cm、整個厚度大約是1_時，用一個線性馬達(dá)以一定頻率控制該混合納米發(fā)電機的彎曲和釋放，例如，在0.33Hz的頻率和0.13%的應(yīng)力下，這時第一電極11和第二電極13之間的最大輸出電流可達(dá)0.8 μ Α，第一電極11和第三電極17之間的最大輸出電流可達(dá)
0.6 μ Α，第二電極13和第四電極20之間的最大輸出電流可達(dá)0.6 μ Α。當(dāng)將第一電極11和第四電極20連接在一起作為一個輸出支路，第二電極13和第三電極17連接在一起作為一個輸出支路的時候，該混合納米發(fā)電機的三部分滿足基本電路連接的線性疊加原理，所以將這三部分疊加起來,整個混合納米發(fā)電機的最大輸出電流信號可高達(dá)2 μ Α，整個混合納米發(fā)電機的電流密度約為0.37 μ A/cm2。
[0062]對于現(xiàn)有的單個摩擦電發(fā)電機，其與本發(fā)明的混合納米發(fā)電機中的摩擦電發(fā)電機部分類似，第一電極由銦錫氧化物(ITO)導(dǎo)電薄膜制作；第一高分子聚合物絕緣層由聚對苯二甲酸乙二醇酯(以下簡稱PET)制作；居間薄膜由具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)的PDMS制作；第二高分子聚合物絕緣層由PET制作；其中第一電極和第二電極作為電流的輸出電極，二者通過電流表而連接在一起。當(dāng)該摩擦電發(fā)電機的有效尺寸為4.5cmX 1.2cm,整個摩擦電發(fā)電機的厚度大約是460 μ m時，用一個線性馬達(dá)以一定頻率控制該摩擦電發(fā)電機的彎曲和釋放，例如，以0.33Hz的頻率使其發(fā)生0.13%的形變，則該摩擦電發(fā)電機的最大輸出電流可達(dá)0.7 μ A，整個摩擦電發(fā)電機的電流密度約為0.13 μ A/cm2。
[0063]通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的混合納米發(fā)電機與現(xiàn)有的單個摩擦電發(fā)電機相比，最大輸出電流、電流密度以及最大輸出功率密度得到了明顯提升。[0064]最后，需要注意的是:以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，包括: 第一高分子聚合物絕緣層； 第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 第二高分子聚合物絕緣層； 第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面接觸，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)與所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面固定； 第一壓電納米線陣列，垂直生長在所述第一電極上； 第三高分子聚合物絕緣層，覆蓋在所述第一壓電納米線陣列上； 第三電極，位于所述第三高分子聚合物絕緣層的表面上； 第二壓電納米線陣列，垂直生長在所述第二電極上； 第四高分子聚合物絕緣層，覆蓋在所述第二壓電納米線陣列上； 第四電極，位于所述第四高分子聚合物絕緣層的表面上； 所述第一電極、第二電極、第三電極和第四電極是所述壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機的輸出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)不同，所述第二高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層、所述第四高分子聚合物絕緣層和所述居間薄膜的材質(zhì)各不相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層的材質(zhì)相同，但與所述居間薄膜的材質(zhì)不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層分別選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一種，所述居間薄膜選自其中與所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層不同的另外一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層、第一電極、第二高分子聚合物絕緣層、第二電極、居間薄膜、第三高分子聚合物絕緣層、第三電極、第四高分子聚合物絕緣層、第四電極均為柔性平板結(jié)構(gòu)，它們通過彎曲或變形造成壓電發(fā)電和摩擦起電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述居間薄膜一側(cè)表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述居間薄膜一側(cè)表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為有規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)，所述凹凸結(jié)構(gòu)為條紋狀、立方體型、四棱錐型或圓柱形中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極、所述第二電極、所述第三電極和所述第四電極為金屬薄膜，所述金屬薄膜選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的任意一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層、所述第二高分子聚合物絕緣層、所述第三高分子聚合物絕緣層和所述第四高分子聚合物絕緣層的厚度為100 μ m-500 μ m ;所述居間薄膜的厚度為50 μ m-100 μ m ；所述微納凹凸結(jié)構(gòu)的凸起 高度小于或等于10 μ m。
【文檔編號】H02N2/18GK103475262SQ201210185780
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月6日
【發(fā)明者】范鳳茹, 王中林, 劉軍鋒 申請人:納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司