新型石墨烯发电器件研究

发布时间：2020-07-19 02:35

【摘要】：石墨烯的成功分离打开了材料物理器件学科交叉研究的大门。石墨烯拥有着单原子层厚度、超高载流子迁移率、仅取决于精细结构常数的透明度等非比寻常的量子特性,在电子器件、光电器件以及能量转换器件的应用上表现出了广阔的前景。石墨烯独特的狄拉克锥形能带与巨大的比表面积致使它对外部刺激异常敏感,从而导致石墨烯的费米能级很容易受到外部环境的影响而发生偏移,进而引起石墨烯二维平面内的载流子运动,使其在高效能量转化领域拥有着巨大的潜力。伴随着全球能源危机与能源需求的日益上升,二维材料石墨烯已被大量地应用于能量转换器件的研究。在众多正在进行的利用石墨烯从自然环境中获取电能的研究中,石墨烯与水的结合是近年来越来越受到研究人员追捧的发电途径。尽管石墨烯水力发电的研究尚处于初级阶段,但有关石墨烯从水的流动过程中产生电能的研究已经得到了不少报道。然而之前研究报道的实验结果仍然存在着较大的差异,并且还没有能够解释这些实验现象的物理机制。此外,之前研究大多只是将石墨烯当成一种纳米材料来使用而忽略了其本身特殊的量子特性。因此,本文主要针对石墨烯水流发电研究中尚存在的各种争议,开展了一系列的实验研究工作,并在此基础上提出对发电机理独特的见解、提高发电输出功率和扩大发电应用领域,以及初步探究石墨烯量子特性在石墨烯水流电压产生过程中的表现形式。本文的主要工作如下:1、考虑到石墨烯的二维费米子特性,利用库仑拖拽效应,证明了带电二维材料纳米片在石墨烯表面的滑动同样能在石墨烯中引起一个电压,并提出了移动的范德华异质结构发电机理。2、基于石墨烯单原子层厚度的量子特性,提出了石墨烯/PVDF异质结构发电器件,从多种液体的流动过程中获取电能,通过仔细研究了液体、石墨烯与衬底三层体系之间的电荷相互作用过程,分析了衬底在石墨烯水流发电过程中所起的关键作用。3、通过引入PTFE衬底,将单个水滴在石墨烯表面流动时所产生的功率输出增强了约100倍,并揭示了电压增大的原因在于石墨烯转移的过程中PTFE衬底与去离子水发生摩擦起电效应而使PTFE衬底表面呈现很强的负电位。4、提出了一种基于石墨烯/硅肖特基异质结构的二维混合发电器件,可以同时在石墨烯二维平面中获取太阳能和水流能。水流引起的电压增量是水滴流动过程中石墨烯被连续掺杂和去掺杂的结果,这一动态过程可以解释为通过水滴的流动来动态地调节石墨烯/硅肖特基结电荷转移特性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619
【图文】：

历史发展,发电机

（Ｈｉｐｐｏｌｙｔｅ邋Ｐｉｘｉｉ）应用电磁感应原理制成了第一台永久磁铁型旋转式交流发电逡逑机。１８５９年安东尼奥？帕奇诺蒂（Ａｎｔｏｎｉｏ邋Ｐａｃｉｎｏｔｔｉ）对其进行改进，发明了基于逡逑铜的环状绕组系统并且得到了连续的直流电源（图１．１ｂ），使发电机的制造变得切逡逑实可行。１８６７年，德国发明家西门子（Ｅｒｎｓｔ邋Ｗｅｒｎｅｒ邋ｖｏｎ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ）对发电机提逡逑出了重大改进。他通过弃用磁铁（即永久磁铁），而使用电磁铁，产生了强大的逡逑电流（图１．１ｃ）。基于上述基础，１８７０年，比利时学者古拉姆（Ｚｅｎｏｂｅ邋Ｇｒａｍｍｅ）逡逑设计出一种能够产生稳定直流的发电机，非常适合为电动机提供动力（图１．Ｉｄ）。逡逑这一发现彻底激发了人们对使用电能来为世界提供照明与供电的热情，从而使电逡逑力工业得到了迅速的发展。与此同时电磁学也得到了突破性进展，麦克斯韦在逡逑１８６１年发表的“论物理力线”文中提出了位移电流概念，他在磁场的安培定律逡逑中加入了位移电流项

铂金,探针,氧化锌,半导体

力作用产生形变时会产生一种内部电势的现象，压电纳米发电机是一种利用压电逡逑效应将外界机械能转变为电能的能量转化器件。在２００６年，王中林教授首次借逡逑由ＺｎＯ纳米线提出压电纳米发电机概念［３３］。如图１．２所示，由于ＺｎＯ半导体的逡逑功函数小于探针铂（Ｐｔ）金属，当ＺｎＯ纳米线和Ｐｔ探针接触时电子将从ＺｎＯ纳逡逑米线流入Ｐｔ探针，在接触端形成肖特基势垒。同时ＺｎＯ还具有压电效应，当ＺｎＯ逡逑纳米线线弯曲时，氧离子与锌离子相对移动会导致在压缩的地方显示负电势匕＇逡逑在拉伸的地方显示正电势Ｋ／，而Ｐｔ探针可以看作零电势Ｋｎ邋＝邋0。当探针与正电逡逑势的拉伸面桕接触时一。＋＜邋0，相当于对ＺｎＯ半导体和Ｐｔ金属之间形成的肖逡逑特基结进行反向偏置，此时的反向电流很小，不能产生明显的电压输出。当探针逡逑与纳米线的压缩面接触时—逦此时肖特基结处于正向偏置状态，能在外逡逑电路产生较为明显的电流输出。逡逑Ａｇｉ

纳米,发电机,机制,聚合物薄膜

由于摩擦纳米发电机用的材料大部分都是有机材料，因而也被称为有机纳米发电逡逑机，也是第一个使用有机材料来收集机械能的技术路线。逡逑如图１．３所示，当施加外力使得摩擦纳米发电机器件弯曲时，聚对苯二甲酸逡逑乙二醇醋（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ邋ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，简称邋ＰＥＴ）和聚酰亚胺（Ｋａｐｔｏｎ邋）两种绝逡逑缘聚合物薄膜会相互接触摩擦，尽管这些聚合物薄膜表面在灯光下看起来很平滑，逡逑但是在微观上它们实际上都有几百纳米的粗糙度。机械的压缩将导致两种聚合物逡逑薄膜的相对滑动，两片聚合物薄膜将发生摩擦起电效应而在表面携带相反的静电逡逑电荷，并形成一个界面偶极子层，被称为摩擦电势层。这个偶极子层会在金属平逡逑板电极之间建立一个电势场，并在金属电极上感应相应的电荷。由于聚合物薄膜逡逑的绝缘特性，金属电极上的感应电荷并不会快或得消失很者被中和。为了消除摩逡逑擦电势产生的影响，静电感应电荷将会流过两个电极之间的负载。一旦施加在器逡逑件上的外力消失从而聚合物薄膜之间不再有摩擦力

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