一文了解壓電納米發電機的結構與應用！

無線和便攜式納米級和微米級技術正越來越多地用于醫療植入物、環境控制、工業保護、國防設備和個人電子產品，包括化學傳感器和基于納米線的氣體以及用于納米設備的可編程納米線電路。直到最近，大多數微型和納米設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和操作這種電池時仍然構成挑戰。
邁向納米級
壓電納米材料制造方法的最新進展已導致較小的壓電發生器能夠代替更大的發生器。壓電材料收集環境中大量可用的機械能，例如氣流中的能量、機械振動、雨滴和液壓，然后通過稱為“壓電效應”的過程將其轉換為電能。壓電納米發電機是由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生數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，因此對這種納米發電機的最新興趣有所增加。
迄今為止，壓電納米發電機的結構已經有了很大的發展，并且包括撓性納米發電機在內的種類很多。這些提供了一系列的機械能收集可能性。電壓已從幾毫伏增加到幾百伏，可用于驅動LCD，LED和無線數據通信設備。壓電納米發電機的主要結構包括橫向排列的納米線網絡，垂直排列的納米線陣列和基于納米線的納米復合材料。
橫向排列的納米線網絡
在橫向排列的納米線壓電納米發電機中，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。通過忽略根本產生的應變，可以將一維納米結構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生更多的壓電電壓。這使得它們在壓電納米發電機的設計中很有用。
垂直排列的納米線陣列
在垂直排列的納米線陣列中，兩個單獨的工作模型用于納米發電機，例如垂直壓縮和橫向彎曲?？紤]到不同的機械和電氣配置，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體行為耦合。如果在受到原子力顯微鏡（AFM）尖端的誘惑時納米線彎曲，則由于電子親和力和工作功能不同，肖特基勢壘會在其中發展。由于納米線外側和內側的壓縮和拉伸，AFM尖端負責產生壓電電勢?？傮w而言，電子以圓形路徑在導線中流動，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合材料
基于納米線聚合物材料的復合材料被用于設計一種相對新型的壓電納米發電機。這些設備具有簡單的制造工藝和結構，涉及四個工作層：正面和背面電極，至關重要的納米線復合層和柔性基板。這種多層結構也類似于壓電陶瓷。盡管這些納米線復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了壓電納米發電機的柔韌性。鋯酸鈦酸鉛納米線也用于制造這些納米復合材料，并在手動彎曲時可提供7 V的可實現輸出電壓。這種類型的納米發電機已展示出卓越的功率性能，以及可用于大規模生產的低成本和簡便制造技術。
壓電納米發電機的應用
納米級壓電發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動中提取生物力學能量。在制造壓電納米發電機方面已經取得了進展，該壓電納米發電機具有將機械能從鼠標的脈搏和呼吸轉換為功率輸出的能力。除了人類和動物產生的機械能以外，這些壓電納米發電機還可以提取生態系統中存在的某些其他類型的機械能。其中包括利用駕駛汽車產生的機械壓力和雨滴沖擊，以及氣流和液體的振動影響。
結論
在過去的幾年中，壓電納米發電機在結構和設計上的進步極大地將其電壓產生從幾毫伏提高到了幾伏。這些納米發電機現在根據其如何在環境中收集機械能而部署在不同的領域。這些系統被用作為微電子設備，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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來源：賢集網
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