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一种 异质结直流压电纳米发电机及其制备方法

阅读：892发布：2023-12-18

专利汇可以提供一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于纳米发电机技术领域，公开了一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法，该异质结直流压电纳米发电机中，硅制备的上电极与带有氧化锌纳米线阵列的下电极之间有整流效应，能够有效实现压电电势在内部的中和，消除压电电势，且整流效应能使得上电极的压电单元接触到下电极的氧化锌纳米线阵列的正电势区域时抑制电流，接触到负电势区时释放电流，宏观表现为输出稳定单向的直流电流，有效实现了异质结直流压电式纳米发电机的构想，为直流压电式纳米发电机在硅基片上的集成开辟了新的思路。，下面是一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种异质结直流压电纳米发电机，其特征在于，包括上电极和下电极，且采用聚二甲基硅氧烷进行封装；
所述下电极为N型半导体，且带有纳米结构体形式的半导体压电材料形成所述下电极的压电单元；所述上电极为P型半导体，且所述上电极为与所述下电极相对应的带有纳米结构的P型半导体构成，
其中，所述半导体压电材料为氧化锌，所述P型半导体的材料为硅。
2.根据权利要求1所述的异质结直流压电纳米发电机，其特征在于，所述下电极的纳米结构与所述上电极的纳米结构为圆锥台阵列。
3.根据权利要求1所述的异质结直流压电纳米发电机，其特征在于，所述P型半导体的材料为硼掺杂的硅半导体，且所述硅半导体的晶向为<100>，电导率为1～10Ω·cm。
4.一种异质结直流压电纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括：
提供P型硅片，对所述P型硅片的表面进行亲水性处理后，在所述P型硅片的一个表面制备排列的单层PS微球阵列；
对所述单层PS微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层PS微球阵列中的PS微球的直径减小，并喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的P型硅片进行刻蚀液刻蚀，形成带有圆锥台阵列的P型半导体作为上电极；
提供底板，在所述底板上镀一层氧化锌种子层，并在镀有氧化锌种子层的底板上合成氧化锌纳米线阵列，形成带有氧化锌纳米线阵列的N型半导体作为下电极；
将所述上电极的背面和下电极的背面分别进行喷金处理，再将所述上电极和所述下电极的证明相对并施加压力，使得所述上电极与所述下电极之间接触良好；
用聚二甲基硅氧烷进行封装，并引出电极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述底板为硅片或者玻璃片。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性处理的步骤包括：
将所述P型硅片置于食人鱼溶液中浸泡处理，且浸泡处理之后进行等离子体处理，且等离子体处理之后进行超声清洗及烘干。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，对所述单层PS微球阵列进行等离子体刻蚀后，所述单层PS微球阵列中的PS微球的直径减半；且所述刻蚀液为H2O2和HF按1:(0.5-
2)的体积比混合组成的混合液。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀的时间为5-15min，刻蚀后的PS微球的直径为0.5-2μm，所述金膜的厚度为3-30nm，喷涂所述金膜的温度为100-
150℃，所述刻蚀液刻蚀的时间为10-120min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法在在所述底板上镀一层氧化锌种子层，且合成氧化锌纳米线阵列的方法为水热合成法。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，利用所述水热合成法合成所述氧化锌纳米线阵列包括：配置0.05M硝酸锌和0.05M六次甲基四胺的混合溶液，将所述混合溶液导入放有所述底板的反应釜中，其中，所述底板镀有氧化锌种子层的一面朝下，并移入95℃烘箱环境中反应9.5h后取出。

说明书全文

一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米发电机技术领域，尤其涉及一种纳米发电机及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前，有机高分子材料和纳米材料的使用可以实现柔性纳米发电机的功能，且各项指标均可达到较高水平。

[0003] 然而，目前的压电纳米发电机的内部具有压电电势，且无法输出稳定单向的直流电流，性能不佳。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法，旨在解决现有技术中压电纳米发电机的性能不佳的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明第一方面提供一种异质结直流压电纳米发电机，包括上电极和下电极，且采用聚二甲基硅氧烷进行封装；

[0006] 所述下电极为N型半导体，且带有纳米结构体形式的半导体压电材料形成所述下电极的压电单元；所述上电极为P型半导体，且所述上电极为与所述下电极相对应的带有纳米结构的P型半导体构成，

[0007] 其中，所述半导体压电材料为氧化锌，所述P型半导体的材料为硅。

[0008] 为实现上述目的，本发明第二方面提供一种异质结直流压电纳米发电机的制备方法，包括：

[0009] 提供P型硅片，对所述P型硅片的表面进行亲水性处理后，在所述P型硅片的一个表面制备排列的单层PS微球阵列；

[0010] 对所述单层PS微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层PS微球阵列中的PS微球的直径减小，并喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的P型硅片进行刻蚀液刻蚀，形成带有圆锥台阵列的P型半导体作为上电极；

[0011] 提供底板，在所述底板上镀一层氧化锌种子层，并在镀有氧化锌种子层的底板上合成氧化锌纳米线阵列，形成带有氧化锌纳米线阵列的N型半导体作为下电极；

[0012] 将所述上电极的背面和下电极的背面分别进行喷金处理，再将所述上电极和所述下电极的证明相对并施加压力，使得所述上电极与所述下电极之间接触良好；

[0013] 用聚二甲基硅氧烷进行封装，并引出电极。

[0014] 本发明提供一种异质结直流压电纳米发电机及其制备方法，该异质结直流压电纳米发电机中，硅制备的上电极与带有氧化锌纳米线阵列的下电极之间有整流效应，能够有效实现压电电势在内部的中和，消除压电电势，且整流效应能使得上电极的压电单元接触到下电极的氧化锌纳米线阵列的正电势区域时抑制电流，接触到负电势区时释放电流，宏观表现为输出稳定单向的直流电流，有效实现了异质结直流压电式纳米发电机的构想，为直流压电式纳米发电机在硅基片上的集成开辟了新的思路。附图说明

[0015] 图1为本发明实施例中亲水性处理后上电极的制备流程图；

[0016] 图2为本发明实施例中上电极制备过程中刻蚀前PS微球阵列SEM图；

[0017] 图3为本发明实施例中上电极制备过程中刻蚀后PS微球排列SEM图；

[0018] 图4为本发明实施例中上电极制备过程中刻蚀后硅片表面的SEM图；

[0019] 图5为本发明实施例中下电极制备流程图；

[0020] 图6为本发明实施例中下电极制备过程中氧化锌纳米线阵列截面的SEM图；

[0021] 图7为本发明实施例中异质结直流压电纳米发电机组装流程图。

具体实施方式

[0022] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0023] 一方面，本发明实施例提供一种异质结直流压电纳米发电机，包括上电极和下电极，且该异质结直流压电纳米发电机采用聚二甲基硅氧烷(PolyDiMethyl Siloxane，PDMS)进行封装。其中，下电极为N型半导体，且带有纳米结构体形式的半导体压电材料形成该下电极的压电单元，且该半导体压电材料为氧化锌，上电极为P型半导体，该上电极与下电极相对应的带有纳米结构的P型半导体构成，该P型半导体的材料为硅。

[0024] 进一步的，下电极的纳米结构与上电极的纳米结构为圆锥台阵列。且制备上电极的P型半导体材料，具体可以为硼掺杂的硅半导体，且该硅半导体的晶向为为<100>，电导率为1～10Ω·cm。

[0025] 另一方面，本发明实施例还提供一种异质结直流压电纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

[0026] 步骤01、提供P型硅片，对所述P型硅片的表面进行亲水性处理后，在所述P型硅片的一个表面制备排列的单层PS微球阵列；

[0027] 步骤02、对所述单层PS微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层PS微球阵列中的PS微球的直径减小，并喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的P型硅片进行刻蚀液刻蚀，形成带有圆锥台阵列的P型半导体作为上电极；

[0028] 其中，上电极制作具体包括：

[0029] 提供P型硅片，利用以下步骤对P型硅片进行亲水性处理：将所述P型硅片置于食人鱼溶液中浸泡处理，且浸泡处理之后进行等离子体处理，且等离子体处理之后进行超声清洗及烘干。其中，食人鱼溶液是用浓硫酸与过氧化氢按体积比7:3配置的，且在该食人鱼溶液中浸泡清洗30min。其中，等离子体处理是先使用大量去离子体水进行清洗，然后放入去离子水、氨水、过氧化氢体积比5:1:1的混合溶液中浸泡30min，目的是使得P型硅片获得亲水性表面。其中，进行超声清洗是使用乙醇和去离子水，以去除P型硅片表面残留的化学物质。其中，超声清洗之后的P型硅片将放入烘箱公干，再进行等离子体处理3至10分钟，使得P型硅片表面的亲水性更强。

[0030] 请参阅图1为本发明实施例中，对P型硅片进行亲水性处理之后，制备上电极的流程图，具体的，在亲水性处理之后，将利用气液界面自组装的方式在P型硅片上制备紧密周期性排列的单层胶体(PS)微球阵列，其中，制备单层PS微球阵列的方式如下：用定量滴管吸取3mL的去离子水，缓慢滴在上述的P型硅片上，以形成一层薄薄的水膜，其中，该P型硅片的尺寸大小可以为1cm*1cm。然后再用定量移液管吸取60μL的单分散的聚丙乙烯微球(PS微球)，从水膜的一侧缓慢注入，在范德华力的作用下，PS微球会在水膜的表面进行自组装，待水分自然蒸干后就在P型硅片的表面得到紧密排列的单层PS微球阵列，如图2所示，为制备的紧密排列的单层PS微球阵列的SEM图，且为上电极制备过程中进行等离子体刻蚀前单层微球阵列的SEM图。

[0031] 进一步的，在单层PS微球阵列的基础上，先进行等离子体刻蚀，以减小单层PS微球阵列的半径，具体可以使得单层PS微球阵列的半径减小至一半，如图3所示，图3为对进行等离子体刻蚀后单层微球阵列的SEM图。然后再将带有单层PS微球阵列的P型硅片在加热炉上加热3min至15min，控制温度在100℃至150℃，之后进行喷金处理，喷金厚度控制在3nm至30nm，此处的金膜作为刻蚀中催化剂，能调控刻蚀方向。喷金后将P型硅片放置于预先调配的刻蚀剂中反应10min至120min进行各项异性刻蚀，即可得到深度不同的圆锥台硅片，作为该异质结直流压电纳米发电机的上电极，结果如图4所示，为刻蚀反应后上电极表面的SEM图。

[0032] 步骤03、提供底板，在所述底板上镀一层氧化锌种子层，并在镀有氧化锌种子层的底板上合成氧化锌纳米线阵列，形成带有氧化锌纳米线阵列的N型半导体作为下电极；

[0033] 在本发明实施例中，底板为硅片或者玻璃片，且要制备下电极，需要先制备氧化锌种子层，然后再合成氧化锌纳米线阵列，如图5所示，为本发明实施例中下电极的制备流程图。

[0034] 其中，具体可以采用磁控溅射法制备氧化锌种子层，该方法为：在磁力搅拌情况下，将26ml的0.03M(mol/L)的氢氧化钠(NaOH)乙醇溶液，缓慢加入到50ml的0.01M的醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)乙醇溶液中，得到混合溶液，将盛放该混合溶液的烧瓶封口后，置于60℃水浴中加热，同时磁力搅拌2h，得到澄清的ZnO纳米晶粒溶胶，将洁净的底板放在烤胶机上(90℃)，再将溶胶滴到硅片上，等硅片上的溶胶挥发后，用乙醇溶液冲洗一遍，重复滴落—挥发—冲洗过程5次，最后将底板置于200℃马弗炉退火30分钟，得到已镀氧化锌种子层的底板。

[0035] 且将进一步采水热合成法合成氧化锌纳米线阵列，该方法具体为：配置0.05M硝酸锌(Zn(NO3)2)与0.05M六次甲基四胺((CH3)6N4，HTMA)的均匀混合溶液，将该混合溶液导入放有已镀氧化锌种子层的底板的反应釜中，其中，镀有氧化锌种子层的表面在反应釜中朝下，移入95℃烘箱环境中反应9.5h后取出。超声辅助下，在去离子水中清洗，去除底板表面附着物，氮气吹干后，80℃真空干燥箱中退火1.5h，在底板表面得到一层致密的氧化锌纳米线阵列白色薄膜，即为压电单元，该底板则可作为该异质结直流压电纳米发电机的下电极，请参阅图6，为本发明实施例中制备的下电极上的氧化锌纳米线阵列截面的SEM图。

[0036] 步骤04、将所述上电极的背面和下电极的背面分别进行喷金处理，再将所述上电极和所述下电极的证明相对并施加压力，使得所述上电极与所述下电极之间接触良好；

[0037] 步骤05、用聚二甲基硅氧烷进行封装，并引出电极。

[0038] 在步骤04中，上电极的正面是指带有圆锥台阵列的面，上电极的背面是指与正面相反的面，下电极的正面是指带有氧化锌纳米线阵列的面，下电极的背面是指与正面相反的面，且上电极和下电极的正面相对并接触良好时，产生的电阻在10～100兆欧量级，请参阅图7，为本发明实施例中上电极和下电极组装成异质结直流压电纳米发电机的流程图。

[0039] 其中，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装能够有效增强稳定性。

[0040] 在本发明实施例中，异质结具有局部整流效应，可以替代肖特基结积累和压电电荷释放的功能，从而实现压电纳米发电机的异质结的构想，且应用在直流压电机上中，可以利用异质结的整流效应输出稳定的单向电流，得到本发明实施例中的异质结直流压电纳米发电机。

[0041] 以上为对本发明所提供的一种石墨烯微球/环氧树脂复合材料及其制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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