本實(shí)用新型涉及納米發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自驅(qū)動(dòng)碳基納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

納米技術(shù)是目前國(guó)際熱門(mén)的前沿技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)外眾多科技人員研究的焦點(diǎn)，納米技術(shù)對(duì)科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生著巨大的影響?；诩{米技術(shù)的納米器件和系統(tǒng)不斷涌出，如可植入式生物傳感器、分子傳感器、納米機(jī)器人、納機(jī)電系統(tǒng)、可穿戴式納電子器件等。

納米器件和系統(tǒng)需要能量驅(qū)動(dòng)才能正常工作，但是由于納米器件和系統(tǒng)體積小，能量要求不高，能與之體積配套的微能量供電問(wèn)題正面臨著諸多挑戰(zhàn)。如蓄電池供電是傳統(tǒng)的供電方式，若電池體積相對(duì)較大，整個(gè)系統(tǒng)將因受到電池體積和重量的影響而難以發(fā)揮其微型化的優(yōu)勢(shì)，甚至失去實(shí)用化意義。另一方面，納米器件的微小尺寸極大地限制了電池的體積和使用壽命，微納系統(tǒng)面臨著不斷更換電池的問(wèn)題，但是有些情況是不便更換電池的，如用于敵后偵察的微型傳感系統(tǒng)。因此，研制出既能適應(yīng)納器件和系統(tǒng)需要、又能滿(mǎn)足綠色自供電要求的微型供電裝置，已成為納米科技領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

目前，在國(guó)內(nèi)外的微型供電裝置研究中，利用氧化鋅納米線、納米壓電陶瓷、高分子聚合物薄膜、碳納米管、石墨烯等納米材料和特種加工技術(shù)，設(shè)計(jì)無(wú)需傳統(tǒng)電源即可正常工作的可持續(xù)自發(fā)供電的納米發(fā)電機(jī)，將器件工作環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化為電能，以驅(qū)動(dòng)納器件和系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)供電自給，是解決上述問(wèn)題的主要方法之一。與傳統(tǒng)發(fā)供電方式相比，納米發(fā)電機(jī)可將各種隨機(jī)能量，如光、聲、風(fēng)、熱、磁場(chǎng)、流體能以及人體活動(dòng)的機(jī)械能等回收重利用以提高能源使用效率，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、安全無(wú)污染、無(wú)振動(dòng)和噪聲、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

石墨烯，是由碳原子六角結(jié)構(gòu)緊密排列的以sp²雜化連接的二維單層石墨層，是目前最理想的二維納米材料。早在70年前，Landau與Peierls根據(jù)熱力學(xué)的不穩(wěn)定性預(yù)言嚴(yán)格意義上的“二維晶體”在有限溫度下不可能穩(wěn)定存在。由于長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)在無(wú)限的二維體系中無(wú)法得以維持，Mermin與Wagner提出Mermin-Wagner理論進(jìn)一步證實(shí)這種二維晶體長(zhǎng)程有序無(wú)法穩(wěn)定存在。類(lèi)似地，彈性理論也預(yù)言二維晶體在大于0℃的情況下不穩(wěn)定。同時(shí)，許多嘗試合成這種二維晶體的實(shí)驗(yàn)也以失敗告終。綜合這些因素，在二維晶體研究領(lǐng)域，幾乎所有人都認(rèn)為石墨烯只是一種“理想材料”，是不可能穩(wěn)定存在的。直到2004年，來(lái)自曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈?杰姆和克斯特亞?諾沃消洛夫運(yùn)用一種非常簡(jiǎn)單的方法獲得了能夠穩(wěn)定存在的二維石墨烯以及其它二維晶體材料。通過(guò)進(jìn)一步的電輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，研究者們發(fā)現(xiàn)這些二維晶體材料的晶體質(zhì)量很好，尤其是二維石墨烯具有超高的載流子濃度和電子遷移率，這些載流子可以傳輸數(shù)千個(gè)原子間距而不受到散射，并且它的載流子行為類(lèi)似于無(wú)質(zhì)量的狄拉克方程所描述的費(fèi)米子，也因此掀起了一場(chǎng)關(guān)于石墨烯材料的理論與實(shí)驗(yàn)“淘金熱”。

在過(guò)去的研究工作當(dāng)中，學(xué)者們普遍認(rèn)為：包括碳納米管、石墨烯、富勒烯等在內(nèi)的碳基材料，由于其中碳原子本身只有sp電子，所以它們都是典型的抗磁性材料，這與含有的3d或4f電子鐵磁性金屬原子形成鮮明對(duì)比。然而，隨著研究的不斷深入人們已經(jīng)在理論上論證出碳基材料具有鐵磁性。理論學(xué)家根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，分析出碳材料存在鐵磁性很可能是因?yàn)槭嬖邳c(diǎn)缺陷或線缺陷、sp²和sp³雜化、鋸齒形石墨邊緣的存在等等。目前研究納米材料磁性的實(shí)驗(yàn)手段包括磁力顯微鏡、超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)和X射線磁性圓二色吸收譜。

碳納米管，是一種一維碳納米材料。碳納米管上碳原子的p電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)碳納米管的管徑大于6nm時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，碳納米管可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。有報(bào)道說(shuō)Huang通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5×10-4 K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

經(jīng)以上分析，石墨烯具備邊緣鐵磁性，可以作為磁體用以為納米發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)；碳納米管具有一維電子輸運(yùn)特性，使其可以作為導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳導(dǎo)電流。而本實(shí)用新型人設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，使碳納米管產(chǎn)生切割石墨烯邊緣磁感線的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種體積小、發(fā)電效率高、功耗低以及可靠性高的自驅(qū)動(dòng)碳基納米發(fā)電機(jī)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是：一種自驅(qū)動(dòng)碳基納米發(fā)電機(jī)，其特征在于：包括襯底，所述襯底的上表面設(shè)有第一電極和第二電極，懸空設(shè)置的單壁碳納米管的一端位于所述第一電極內(nèi)，單壁碳納米管的另一端位于所述第二電極內(nèi)，所述襯底的上表面還設(shè)置有少層石墨烯，所述少層石墨烯的一條邊界與所述單壁碳納米管平行；所述少層石墨烯用于提供磁場(chǎng)，所述單壁碳納米管用于切割磁場(chǎng)并傳輸電流。

優(yōu)選的，所述襯底的制作材料為Si或SiO₂。

優(yōu)選的，所述襯底的上表面設(shè)置有氧化絕緣層。

優(yōu)選的，所述氧化絕緣層的制作材料為S_iO₂、Al₂O₃或HfO₂中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選的，所述第一電極和第二電極的制作材料為Au、Ag、Cu、W、Ti、Pt、Fe、Co、Ni中的任意一種或至少兩種的組合。

優(yōu)選的，所述少層石墨烯的厚度大于所述單壁碳納米管距離所述襯底上表面的距離。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：體積?。?jiǎn)伪谔技{米管的直徑很?。s為1-5納米），相應(yīng)的基于單壁碳納米管的碳基納米發(fā)電機(jī)尺寸由第一電極和第二電極的尺寸決定。效率高：由于所述碳基納米發(fā)電機(jī)基于法拉第電磁感應(yīng)定律，所以機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率較高。功耗低：由于基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，幾乎沒(méi)用熱能耗散，因此功耗較低。可靠性高：?jiǎn)伪谔技{米管具有高模量和高強(qiáng)度，且其熔點(diǎn)為已知材料中最高的。其兩端又被固定于電極之中，所以基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的力學(xué)穩(wěn)定性，可靠性較高。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例所述發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2-3是本實(shí)用新型實(shí)施例所述發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例所述發(fā)電機(jī)的制作流程圖；

其中：1、襯底2、氧化絕緣層3、第一電極4、第二電極5、少層石墨烯6、單壁碳納米管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型，但是本實(shí)用新型還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本實(shí)用新型內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似推廣，因此本實(shí)用新型不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例公開(kāi)了一種自驅(qū)動(dòng)碳基納米發(fā)電機(jī)，包括襯底1，所述所述襯底1的上表面設(shè)有第一電極3和第二電極4，第一電極和第二電極使用導(dǎo)電材料制作，優(yōu)選的使用金屬材料制作。懸空設(shè)置的單壁碳納米管6的一端位于所述第一電極3內(nèi)，單壁碳納米管6的另一端位于所述第二電極4內(nèi)。所述襯底1的上表面還設(shè)置有少層石墨烯5，所述少層石墨烯5位于所述單壁碳納米管6的一側(cè)，且所述少層石墨烯5的一條邊界與所述單壁碳納米管6平行；所述少層石墨烯5用于提供磁場(chǎng)，所述單壁碳納米管6用于切割磁場(chǎng)并傳輸電流。

如圖2-圖3所示，所述發(fā)電機(jī)在外力(如：振動(dòng)、微風(fēng)、聲波等)作用下，單壁碳納米管上下晃動(dòng)不斷切割少層石墨烯邊緣處磁場(chǎng)上內(nèi)的磁力線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，于是有電流在單壁碳納米管中不斷傳輸。

所述發(fā)電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

體積?。?jiǎn)伪谔技{米管的直徑很?。s為1-5納米），相應(yīng)的基于單壁碳納米管的碳基納米發(fā)電機(jī)尺寸由第一電極和第二電極的尺寸決定。效率高：由于所述碳基納米發(fā)電機(jī)基于法拉第電磁感應(yīng)定律，所以機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率較高。功耗低：由于基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，幾乎沒(méi)用熱能耗散，因此功耗較低?？煽啃愿撸?jiǎn)伪谔技{米管具有高模量和高強(qiáng)度，且其熔點(diǎn)為已知材料中最高的。其兩端又被固定于電極之中，所以基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的力學(xué)穩(wěn)定性，可靠性較高。

所述襯底1為絕緣材料制備，優(yōu)選的，襯底1的制作材料為非金屬材料或非金屬氧化物材料，更為優(yōu)選的，所述襯底的制作材料為Si或SiO₂。為了實(shí)現(xiàn)更好的絕緣效果，所述襯底1的表面還可以設(shè)置氧化絕緣層2，所述氧化絕緣層2的制作材料為S_iO₂、Al₂O₃或HfO₂中的任意一種或至少兩種的組合。為了更好的實(shí)現(xiàn)磁力線的切割，所述少層石墨烯5的厚度大于所述單壁碳納米管6距離所述襯底1上表面的距離。優(yōu)選的，所述第一電極3和第二電極4的制作材料可以為Au、Ag、Cu、W、Ti、Pt、Fe、Co或Ni中的任意一種或至少兩種的組合。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所指出的襯底、氧化絕緣層、第一電極以及第二電極的具體形式并不能對(duì)本申請(qǐng)構(gòu)成限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)上述器件的具體材料進(jìn)行選擇。

如圖4所示，相應(yīng)的，所述自驅(qū)動(dòng)碳基納米發(fā)電機(jī)的制備方法包括如下步驟：

S101：將少層石墨烯5轉(zhuǎn)移到襯底1的上表面；

S102：在襯底1以及少層石墨烯5上旋涂第一光刻膠；

S103：將單壁碳納米管6置于少層石墨烯5以外的第一光刻膠上，并使所述單壁碳納米管6靠近所述少層石墨烯5的一條邊界，并與該條邊界平行；

S104：在第一光刻膠和單壁碳納米管6上旋涂第二光刻膠；

S105：根據(jù)預(yù)設(shè)的第一電極3和第二電極4的形狀和尺寸，將單壁碳納米管6兩端位置襯底表面之上的第一光刻膠和第二光刻膠刻蝕掉，形成第一電極3和第二電極4的形成凹槽，并使單壁碳納米管6的兩端懸空；

S106：在所述凹槽內(nèi)沉積第一電極3和第二電極4的金屬材料，形成第一電極3和第二電極4，并去除殘余的第一和第二光刻膠。

所述的步驟S101中少層石墨烯5采用機(jī)械剝離法、氧化還原法或化學(xué)氣相沉積法制備。所述襯底1為絕緣材料制備，優(yōu)選的，襯底1的制作材料為非金屬材料或非金屬氧化物材料，更為優(yōu)選的，所述襯底的制作材料為Si或SiO₂。為了實(shí)現(xiàn)更好的絕緣效果，所述襯底1的表面還可以設(shè)置氧化絕緣層2，所述氧化絕緣層2的制作材料為S_iO₂、Al₂O₃或HfO₂中的任意一種或至少兩種的組合。使用掃描電子顯微鏡觀察少層石墨烯形貌，選擇邊界形貌良好，邊界長(zhǎng)度為3-6μm的少層石墨烯，記錄其位置；少層石墨烯的位置記錄包括石墨烯的邊界兩端相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的位置和夾角。

所述的步驟S102中：所述第一光刻膠使用聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷材料制作，所述第一光刻膠厚度為30nm-200nm。

所述的步驟S103中：使用掃描電子顯微鏡觀察單壁碳納米管的形貌，選擇比較直且缺陷少的單壁碳納米管，記錄其位置。進(jìn)一步的，所述單壁碳納米管通過(guò)如下方法制備：將分散在溶液中的單壁碳納米管滴在第一光刻膠上面并將溶液吹干。所述單壁碳納米管的制備方法包括石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法或激光蒸發(fā)法。記錄的單壁碳納米管位置包括單壁碳納米管的兩端相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的位置和夾角；所述單壁碳納米管的懸空高度可以通過(guò)旋涂的第一光刻膠的厚度來(lái)調(diào)節(jié)。

所述的步驟S104中：所述第二光刻膠使用聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷材料制作，所述第二光刻膠厚度為30nm-200nm。

所述的步驟S106中：所述第一電極3和第二電極4的制作材料可以為Au、Ag、Cu、W、Ti、Pt、Fe、Co或Ni中的任意一種或至少兩種的組合。

通過(guò)上述方法制備的發(fā)電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

體積?。?jiǎn)伪谔技{米管的直徑很小（約為1-5納米），相應(yīng)的基于單壁碳納米管的碳基納米發(fā)電機(jī)尺寸由第一電極和第二電極的尺寸決定。效率高：由于所述碳基納米發(fā)電機(jī)基于法拉第電磁感應(yīng)定律，所以機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率較高。功耗低：由于基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，幾乎沒(méi)用熱能耗散，因此功耗較低?？煽啃愿撸?jiǎn)伪谔技{米管具有高模量和高強(qiáng)度，且其熔點(diǎn)為已知材料中最高的。其兩端又被固定于電極之中，所以基于單壁碳納米管的納米發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的力學(xué)穩(wěn)定性，可靠性較高。