硅碳納米材料在納米發(fā)電機中的應(yīng)用研究.pdf

1、納米發(fā)電機有望能解決納米技術(shù)中能源供應(yīng)這一極其重要的問題，它使得納米器件的能量供給系統(tǒng)與工作系統(tǒng)同時都能達到納米量級，從而保持了自備電源的完整性和納米器件系統(tǒng)的微型化等特點。它不僅為實現(xiàn)整個納米器件工作系統(tǒng)的真正小型化奠定了理論基礎(chǔ)，同時還能有效地收集自然界中甚至生物體內(nèi)廣泛存在卻又一直被忽略的微量機械能來滿足納米器件正常運轉(zhuǎn)所需的能量，這些能量的回收過程將有力地推動納米技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，其本身也有重大的應(yīng)用前景。
　　 目前所報

2、道的納米發(fā)電機以壓電式為主，通過ZnO納米材料特有的半導(dǎo)體性質(zhì)和壓電效應(yīng)的耦合實現(xiàn)了電荷的產(chǎn)生、分離、累積和輸運，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能，這種發(fā)電機的可動部件多，容易導(dǎo)致器件的穩(wěn)定性問題。因此，有必要開發(fā)出一種新型的、穩(wěn)定性好的納米發(fā)電機來有效地收集環(huán)境中被忽視的振動能，從而拓寬納米發(fā)電機的應(yīng)用范圍。本文旨在通過對靜電式納米發(fā)電機的開發(fā)、優(yōu)化而實現(xiàn)振動能的收集和電能的輸出。本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 (1)硅納米線

3、作為一種重要的一維半導(dǎo)體材料，由于其獨特的電學(xué)和力學(xué)性能以及能與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)和硅工業(yè)相兼容等特點而能夠被廣泛應(yīng)用于化學(xué)催化、生物傳感、電子器件和新能源等多個領(lǐng)域。我們通過改進的氧化物輔助生長法制備的硅納米線中含有α-石英，并通過實驗進一步深入地探討了這種良好的壓電材料的形成機理。由于α-石英的存在使所制備的硅納米線表現(xiàn)出極好的駐極體效應(yīng)，基于它而開發(fā)的納米發(fā)電機的輸出電流為2.8nA，轉(zhuǎn)化率為2.2％。由此開辟了硅納米線在微能源方面的

4、新應(yīng)用。
　　 (2)氧化石墨烯由于其表面的含氧官能團的存在，使其性質(zhì)與石墨烯相比，有很大的不同。在一個氧化石墨烯片上，存在有孤立的石墨烯“小區(qū)域”，這些“小區(qū)域”的尺寸只有幾個納米而且被無定形的含氧官能團包圍著。所以，電荷很容易被儲存在這些量子化水平的石墨烯中，或者很容易被電負(fù)性較高的含氧基團捕獲在無定形的介質(zhì)層上而使其帶有靜電。由這種帶靜電的氧化石墨烯膜組裝成的柔性納米發(fā)電機的輸出電流高達3.23nA，能量轉(zhuǎn)化效率為12.1

5、%。更重要的是，所制備的納米發(fā)電機的輸出電流高度依賴于制備過程中的pH值，因而可用于納米發(fā)電機制備過程的優(yōu)化。
　　 (3)氮化硼納米片也是一種理想的具有蜂窩狀的二維結(jié)構(gòu)，石墨烯結(jié)構(gòu)中的碳由sp2雜化結(jié)合形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被硼原子和氮原子交替取代了，但與石墨烯良好的導(dǎo)電性相反的是，氮化硼并不導(dǎo)電，其禁帶寬度為5.3-5.9eV。我們用化學(xué)法在高溫條件下所制備的氮化硼納米片因帶有一定量的電荷而能將其運用于納米發(fā)電機的開發(fā)。所制備的納米