一種納米發電機的製作方法

2023-05-02 13:07:01

專利名稱：一種納米發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及納米發電和電源技術領域,特別涉及ー種由ZnO等半導體納米棒、線或帶的陣列和金屬電極接觸後形成肖特基接觸，利用外部金屬連接線形成的對稱振子天線感應接收電磁波原理構建的納米發電機。
背景技術：
目前發電系統的發電方式主要是水力發電、火力發電、太陽能發電、化學能發電、核燃料發電等，這些發電方式不但會消耗大量的自然資源、造成大量的汙染，也會因發電資源和電流在運輸過程中存在大量損失，増加發電和用電成本。隨著當代微電子、納電子產品 的逐漸普及和小型化，電子產品的尺度和功耗也越來越低，電池的設計尺度也越來越小。為了解決即將到來的微電子、納電子產品所需的新型長壽命電源問題，世界各國科學家都在積極開發各種新型發電方式並努力研發各種新型長壽命電源。據英國《科學》雜誌報導，美國喬治亞理工學院的王中林教授研究組成功地利用ZnO納米半導體材料的壓電特性，在納米尺度範圍內將機械能轉換成電能，製成了可將機械振動能、流體振動能等轉化為電能的納米發電機，該發明為即將到來的納電子時代各種微型系統的電源設計和製造奠定了重要的研究基礎。中國專利200710097875. 8《交流納米發電機及升壓方法》也公開了這樣ー種納米發電機。此種納米發電機通過系統中納米半導體陣列和對應放置的納米金屬針尖陣列產生的相對振動，使納米半導體陣列中的納米棒、線或帶發生形變，並利用ZnO納米半導體材料的正壓電特性將各種機械振動能轉化為電能。但這類納米發電機的發明說明書和權利要求書中只涉及到如何利用ZnO納米半導體材料的壓電特性將自然界中存在的各種機械振動能轉化為電能，這些機械能形式僅局限在運動、振動、流體流動等能量形式範疇，同吋，此類納米發電機運行條件比較苛刻，陣列中的納米棒、線或帶在不均勻機械外力或振動的長時間作用下，也會造成納米半導體棒、線或帶的機械損傷，這必然會大大縮短此類發電機的工作壽命。資訊時代的最顯著特點就是電磁微波輻射形成的能量輻射瀰漫空間，各種微納機電系統在工作中不斷地接收、發射各種頻段的電磁波，其對人體的危害也越來越受到關注，如何減少、利用電磁微波輻射，化害為利，造福人類也是當今科學家面臨的ー個重要課題。

發明內容
為解決現有納米發電機技術中存在的運行條件苛刻、電機工作壽命短、エ藝組裝要求高等問題，本發明提出了ー種運行環境較寬鬆、電機持續壽命較長、エ藝實現相對簡單且可利用空間電磁波的輻射能量進行發電的納米發電機。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下一種納米發電機包括ー個納米陣列A(I)和金屬電極B (2)、ー個金屬支撐基片A(3)、ー個利用彈簧或其他弾性約束片固定A(I)和金屬電極B (2)的外殼⑷和兩根導線C (5)組成；所述的納米陣列ム(1)由半導體納米線組成，可通過化學、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上，並與A (3)形成歐姆接觸；電極B(2)由金屬片、金屬納米線陣列組成；所述的納米陣列A(I)和金屬電極B(2)利用彈簧或其他弾性約束片固定在外殼(4)裡，所述的兩根導線C(5)分別連接在金屬支撐基片A(3)和金屬電極B(2)上，並與外部用電裝置(6)連接。本發明所述的金屬電極可由金屬納米線組成，或者就是功函大於半導體材料A的金屬片、金屬納米線(比如Zn、Au、Al等)。本發明所述的半導體納米線可用半導體納米帶或半導體納米棒代替。本發明所述的半導體納米線陣列A由ZnO或Ga2O3或SnO2等半導體納米陣列材料製成。可直接生長在金屬支撐基片A(3)上，並與A(3)形成歐姆接觸。 本發明利用電磁感應定律，連接金屬電極A和金屬電極B的兩根導線相當於接收信號的對稱振子天線，對於固定長度的天線，空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射信號通過對稱振子天線感應出交流電流，且對稱振子的電流分布為連續，振子的終端為電流節點。本發明納米發電機中的半導體納米陣列A與金屬電極B間形成的肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管，具有單向導通的整流特性。此檢波ニ極管就可將等效的對稱振子天線中感應出的交變電流轉換為直流電流輸出，從而達到將空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射信號轉換為電能的目的。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果I、本發明利用ー個具有電極化特性的半導體納米陣列A，並在其上放置一個與之接觸的金屬電極B，通過兩根金屬連接線組成納米發電機基本単元。在外界微波或其他高頻電磁信號激勵下，通過電磁感應，在納米發電機基本単元中感應出交變電流，最後利用半導體納米線陣列A與金屬電極B間形成的肖特基接觸形成的ニ極管的整流特性，將感應出的交變電流轉換為直流電流輸出，將空間中的各種高頻交變電磁信號能轉換為電能輸出。依照半導體與金屬間的接觸理論，當金屬材料的功函數大於N型半導體材料功函數吋，金屬材料表面和N型ZnO等半導體接觸面間將形成肖特基接觸，可等效為ー個單向導通的PN結。當空間中的各種高頻交變電磁信號通過電磁感應在在外接導線上感應出交變電流時，這個等效的PN結就類似ー個檢波ニ極管，可使兩根外接導線上感應出的交變電流經過半波整流後向外電路輸出，從而可將空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射能直接轉換成電能形式輸出，產生足夠的電能，以此驅動或控制外部納米器件或系統等負載。此外，利用此裝置對交變電磁輻射源信號場的電場E的極化方向、距離、功率大小的敏感特性，還可對交變電磁信號大小和方向進行分析檢測，也可利用該裝置將電能儲存在各種電池中。2、本發明利用ZnO等N型半導體納米陣列與金屬接觸時形成的肖特基接觸特性及電磁感應特性製備出了可將空間中各種高頻電磁微波輻射能轉化為電能的納米發電機。通過控制連接半導體納米線陣列A與金屬電極B間的導線的長度，就可調製納米發電機對外界高頻交變電磁信號的最佳感應頻率，從而使輸出電流達到最佳。因納米電機是將高頻或甚高頻電磁波信號直接轉換為電流，最後通過檢波ニ極管檢波，以直流電流形式向外界輸出。在兩根導線中感應出的電流頻率也與高頻或甚高頻電磁波信號相同，通過檢波ニ極管檢波後，其單位時間段內的平均電流值也就相對穩定。3、本發明產品結構簡單，加工製作容易，體積小，工作壽命長，其核心部件為ー個半導體納米陣列、ー個金屬片狀電極及兩根連接導線。納米陣列可採用化學和物理的方法直接生長在導電的金屬基片上。本發明的納米發電機可隨意安裝、固定在各種微電子產品如手機、電子表、傳感器和各種微電子系統上，通過電磁感應將空間中的交變電磁信號轉化成電能，直接進行發電，產生的電能可以支持各種微納電子產品待機或工作，也可將轉化的交變電磁信號輻射能儲備起來，為微電池充電。這種新型發電機與壓電納米發電機不同，不必通過機械外力，讓半導體納米線形成較大的機械形變產生電能，只是利用半導體的電極化效應及電磁感應現象，先在兩根連接導線上產生感應電流，並通過金屬片狀電極與半導體接觸面間形成的肖特基結的整流效應，源源不斷的輸出電能，其原理更加簡單，工作壽命和系統可靠性也比王中林研究組的正壓電發電方案大大提高。例如這種納米發電機可直接安裝在手機等用電系統上，在手機待機、通話的同時就可接收電磁輻射進行發電，並存儲於電池中，同時，通過人為改變連接金屬接觸片和納米半導體陣列的兩根導線的長度，即改變振子天線的長度L，如可使L分別等於I入，0.5入，0.4入，0.25入，0.05入等，就可調製外部電磁信號與納米電機之間的最佳感應頻率，使這種納米發電機對各種交變電磁信號源都有較好的電磁感應特性。本發明在即將到來的微納電子器件和微機電結構時代有重要的應用前景。


本發明共有附圖2張，其中圖I為納米發電機結構示意圖。圖2為納米發電機發電系統組成示意圖。圖中，I、納米陣列A，2、金屬電極B，3、支撐基片，4、帶彈簧或弾性約束片的外売，5、兩根金屬導線，6、外部用電裝置，7、單根納米線A，8、外界交變電磁場，9、PN結，10、納米發電機，11、外界交變電磁場在導線上感應電流強度分布。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進ー步地描述。如圖I所示，一種納米發電機包括兩個端部彼此相互接觸且相對放置的納米陣列Al和金屬電極B2、ー個金屬支撐基片A3、帶彈簧或弾性約束片的外殼4和兩根外接金屬導線5 ;所述的納米陣列Al由半導體納米線組成，可通過化學、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A3上；所述的金屬電極B2由功函大於納米陣列Al的金屬片或金屬納米陣列組成；所述的納米陣列Al和金屬電極B2利用彈簧或彈性約束片固定在外殼4裡，所述的兩根外接金屬導線5為兩根導電的金屬線，可等效為接收外部電磁信號的對稱振子天線，分別固定在金屬支撐基片3和金屬片B2上，並與外部用電裝置6連接。所述的半導體納米線由ZnO或Ga2O3或SnO2等具有電極化特性的半導體納米陣列材料製成。本發明所述的金屬電極B2可由由功函大於納米陣列Al的金屬片或金屬納米線組成。本發明所述的半導體納米線可用半導體納米帶或半導體納米棒代替。本發明所述的金屬導線材料可為鋅、鋁、銅等金屬材料構成。本發明所述的納米陣列Al由半導體納米線組成，可直接生長在金屬支撐基片A3上，並與A3形成歐姆接觸。
圖2所示為採用本發明的ー個發電系統，包括交變電磁場8、納米發電機10、外接線路5、外部用電裝置6。在外界交變電磁場8作用下，連接納米半導體陣列及上端金屬電極B2的兩根金屬導線即可感應出交變電流11，電流強度在兩根金屬導線的分布如圖所示。發電機10下部的單根半導體納米線7與上部金屬電極B2間將形成肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管9，即可將兩根金屬導線感應出的交變電流11不斷整流輸出，最終將外界交變電磁輻射能轉換為電能輸出到用電裝置6，驅動外部用電裝置6工作；也可通 過外接線路5 (兩根大小相同的導線相當於對稱振子天線)在後端連接ー個測試模塊，利用輸出電流大小對交變電磁場信號的強度和方向性進行檢測；或通過外接線路5連接到儲電裝置模塊，儲存電能以備使用。
權利要求
1.ー種納米發電機，其特徵在幹包括ー個納米陣列A(I)和金屬電極B (2)、ー個金屬支撐基片A(3)、ー個利用彈簧或其他弾性約束片固定A(I)和金屬電極B(2)的外殼(4)和兩根外接導線C(5);所述的納米陣列A(I)由半導體納米線組成，通過化學、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上；電極B(2)由金屬片、金屬納米線陣列組成；所述的納米陣列A(I)和金屬電極B(2)利用彈簧或其他弾性約束片固定在外殼⑷裡，納米陣列A(I)和金屬電極B(2)之間的接觸力可利用彈簧或其他弾性約束片調節。所述的外接導線C(5)分別連接在金屬支撐基片A(3)和金屬電極B(2)上，並與外部用電裝置(6)連接。
2.根據權利要求I所述的納米發電機，其特徵在乾電極B(2)由功函大於半導體納米陣列A(I)的金屬片或者金屬納米線陣列組成。納米陣列A(I)與金屬電極B(2)接觸放置即可。其中鍍金屬膜的納米線陣列，可採用普通的鍍膜エ藝，將Zn、Au、Al等功函大於半導體納米陣列A(I)的金屬直接鍍在納米陣列上即可。
3.根據權利要求I或2所述的納米發電機，其特徵在於所述的半導體納米線可以用半導體納米帶或半導體納米棒代替。
4.根據權利要求I或2所述的納米發電機，其特徵在於所述的半導體納米線由ZnO或Ga2O3或SnO2等半導體納米陣列材料製成。
5.根據權利要求I所述的納米發電機，其特徵在於所述的金屬片、金屬納米線陣列為招、金、鉬等能與ZnO或Ga2O3或SnO2等N型半導體納米線形成肖特基接觸特性的金屬材料。
6.根據權利要求I所述的納米發電機，其特徵在幹所述的納米陣列A(I)由半導體納米線組成，可通過化學、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上，並與A (3)形成歐姆接觸。
7.根據權利要求I所述的納米發電機是利用電磁感應原理，連接金屬電極A和金屬電極B的兩根金屬導線C相當於ー對對稱振子天線，當振子天線的長度一定時，在外界微波電磁信號輻照下就可感應出電流，且對稱振子的電流分布為連續，振子終端應為電流節點。該對稱振子天線可接收感應高頻交變電磁信號，並在對稱振子天線中感應出交變電流。
8.根據權利要求I所述的納米發電機的半導體納米陣列A與金屬電極B間可形成肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管，具有單向導通的整流特性。可將兩根金屬導線C感應出的交變電流轉換為直流電流輸出。
9.納米發電機中所用的取向半導體納米線陣列A(I)採用價格低廉，方法簡單的水熱合成法製備，該法便於製造，所用生產條件簡單，試劑價格便宜，便於大規模製造。納米發電機中所用的金屬片或金屬納米線陣列可直接採用功函大於半導體納米陣列A(I)的普通便宜金屬材料(如Zn、Al等)，可大大降低納米發電機的製造成本。
全文摘要
本發明公開了一種利用ZnO、Ga2O3或SnO2等半導體納米棒、線或帶的陣列構建的新型納米發電機。系統由一個取向半導體納米陣列A、金屬電極B、連接納米陣列A與金屬電極B的兩根金屬導線C組成。納米陣列A與金屬電極B接觸放置，納米陣列A由半導體納米線組成，電極B由功函大於半導體材料A的金屬片、金屬納米線組成，C由普通金屬導線組成。本發明利用電磁感應原理，系統C的兩根金屬導線形成可感應高頻交變電磁信號的對稱振子天線，半導體納米陣列A與金屬電極B間形成肖特基接觸，可等效為一個檢波二極體。當空間中的各種微波電磁信號輻照該系統時，系統C的兩根對稱振子天線就可接收空間微波輻射信號，並利用等效檢波二極體的整流特性，將交變電流轉換為直流電流單向輸出。
文檔編號H02J17/00GK102868233SQ20111019649
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者李夢軻, 張競, 王軍豔, 馮秋菊, 耿淵博, 姜春華 申請人:李夢軻, 張競, 王軍豔