柔性摩擦纳米发电机和传感器件的设计构建与应用研究

发布时间：2018-11-07 19:58

【摘要】：在能源危机日益紧迫的今天,能源的收集越来越被人们所重视。目前的科技发展大大降低了电子器件的能源消耗并且提高了其工作效率,从而使得利用将周围环境中无处不在的机械能转化为电能来驱动电子器件或者构建自驱动传感器件成为了解决电子器件能源供给问题的一个有效而且环保的途径。特别地,在可拉伸和可穿戴电子器件飞速发展的当今时代,研究柔性机械能收集器件具有十分重要的价值和意义。常见的收集机械能的方式有电磁感应发电机、静电发电机、压电纳米发电机,还有最近发明的摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机由于具有输出效率高、构建简便、成本低、质量轻巧等优点而受到广泛的关注。常用于构建压电纳米发电机的材料有氧化锌纳米材料,除了具备优异的压电性能外,氧化锌纳米材料还具有优异的光电性能如直接带隙宽禁带、激子束缚能高、吸光效率高等特性,因而还很适合用来构建紫外传感器。本论文在解决可拉伸和可穿戴电子器件能源供给问题方面做了一系列的研究,设计和构建了可以有效收集机械能并且能够作为自驱动传感器的若干种柔性摩擦纳米发电机,设计和构建了能够给可穿戴电子器件直接供能的柔性可拉伸防水自充电能源系统。本论文还研究了基于氧化锌纳米材料的不同类型紫外传感器的结构和性能。设计和构建了一种柔性可穿戴摩擦纳米发电机。该发电机基于一种新工作模式,摩擦层的摩擦电荷分布／密度的相对变化驱使电子在铝电极和地电极之间往复传输,这种独特的工作模式通过实验和理论计算得到了验证。系统地研究了影响发电机输出的各种参数如结构尺寸,拉伸位移、速度以及加速度等。该发电机不但可收集周围环境的机械能量,还可作为自驱动传感器。当把多个发电机整合为一个传感系统时,它可用来监测不同方向上的运动情况：当把发电机穿戴于人体时,它可检测人体的呼吸运动或者关节运动等。这个工作大大拓展了柔性机械能收集器件在能源收集和自驱动传感方面的应用,而且为未来电子器件的发展提供了一种新路径。设计和构建了一类以静止或者流动的导电液体为电极的具有高度可拉伸性和形状自适应性的柔性摩擦纳米发电机。该类发电机可在各种工作模式下收集环境中的机械能,在拉伸应变为300%的情况下仍然能够保持高输出,尺寸和形状可根据实际需要进行任意调节,可适应任何三维或者弯曲不平的工作表面,可作为可拉伸可穿戴供能器件,也可作为自驱动人体运动传感器。该类发电机还可用来做大面积的或者基于输水管道的机械能收集器件。这个工作给可变形可拉伸供能器件、自驱动传感器件以及收集基于水的机械能器件提供了新的研究视角,并且在众多领域,如机器人技术、生物机械能、生理学、运动学等,都有着广泛的应用。设计和构建了一种柔性可拉伸防水自充电能源系统。该自充电能源系统由一个可拉伸摩擦发电机和可拉伸超级电容器无缝衔接而成,整个结构都由柔软可拉伸的材料组成,可任意变形并收集多种变形运动的能量。该系统为密封结构而且外表面具有良好的疏水性,所以具有防水功能,其可以安装于人体,有效收集各种人体运动能,如拍打肩部、弯曲胳膊或腿、活动手腕等。利用从人体运动所收集的能量,该自充电能源系统可作为可穿戴可拉伸能源供给器件并且成功驱动了一只电子手表。设计和构建了一种基于摩擦起电和静电感应效应的自驱动二维运动传感器。当运动物体在该传感器表面运动时,所经过表面之下阵列分布的电极电势将会发生变化。从所测量的电极开路电压和短路电流,可得出物体的运动轨迹、运动速度、运动加速度等信息,还可检测同时运动的两个物体的运动信息如运动位移和运动速度。实现了物体运动的可视化追踪,当将该自驱动运动传感器的每个电极与LED灯束对应相连时,可通过LED灯束来实时可视化滑动物体的运动轨迹或者人体的运动步伐。这个工作为自驱动运动监测提供了新的可能性,在体育运动、安全监测等领域有着广泛的应用。设计和构建了基于氧化锌纳米材料的三种类型紫外传感器。自驱动型紫外传感器基于单根四针状纳米氧化锌/PEDOT：PSS异质结,自驱动性能基于光伏效应,零偏压下325 nm紫外光(功率0.16 mW)照射时,短路电流～1.1nA,开路电压～0.2 V,开光比～100,上升时间～3.5 s,下降时间～4.5 s。当紫外光只照射氧化锌时,开路电压和短路电流随氧化锌被照射区域与异质结之间距离的增加而减小。由于四针状氧化锌的多端特性,该工作为发展独立且多功能的纳米器件提供了一种新思路。欧姆接触型紫外传感器构基于indium-tin-oxide玻璃上生长的氧化锌纳米棒阵列,构建方法简便,1V偏压下365nm紫外光(2.01 mW/cm2)照射时的光电流～308.04μA,开光比～5.13×102,回复时间～1.69 s,比相应氧化锌纳米膜紫外传感器的响应性能好,原因为氧化锌纳米阵列具有更高的比表面积和晶体质量。肖特基型紫外传感器基于硅片上生长的氧化锌纳米棒阵列,两个电极均为金电极。黑暗条件下器件I-V曲线显示双肖特基特性,紫外光照射时变为欧姆特性。365 nm紫外光照时光电流是254 nm紫外光照时光电流的25倍,这是因为254 nm紫外光响应时光生电子空穴对更容易复合。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM31;TP212
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本文编号：2317415