發(fā)布時(shí)間：2020-04-01 00:07

【摘要】：氧化鋅(ZnO)作為一種非常有應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體材料,隨著它的諸多特性被開發(fā)出來,有可能改變?nèi)藗兾磥淼纳罘绞?為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。ZnO為一種N型半導(dǎo)體,它的禁帶寬度較大,有著非常高的激子結(jié)合能。它具有壓電特性,光學(xué)特性及超高的穩(wěn)定性。特別值得關(guān)注的是ZnO作為壓電材料中的一員,我們能夠使用它制作可以把機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。ZnO材料的優(yōu)點(diǎn)是其制作的能量采集裝置不需要極化就可以直接使用,無毒綠色環(huán)保,價(jià)格低廉。在本文中,我們把ZnO作為壓電層,制備了具有多層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量采集器,同時(shí)可以檢測物體的加速度大小。還提出了一種基底為三角形結(jié)構(gòu)的ZnO基能量采集器,這有效地提高了能量采集器的電壓輸出。利用ZnO的光學(xué)特性和壓電特性和鋁摻氧化鋅(AZO)作為透明電極制作了具有多層結(jié)構(gòu)的柔性透明能量采集器,也可以用作自供電式傳感器使用,這反映了ZnO能量采集器在自供電觸覺傳感領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。本文具體的研究內(nèi)容及結(jié)果如下:1.探究了使用電化學(xué)沉積法在PET-ITO柔性基底上制備ZnO基能量采集器。為了更好地觀察不同沉積時(shí)間對(duì)能量采集器的性能影響,在沉積時(shí)間為1,1.5和2h的條件下制備了3種能量采集器。采用掃描電子顯微鏡(SEM),X射線衍射儀(XRD),和電化學(xué)工作站對(duì)ZnO納米棒進(jìn)行了生長觀察和性能測試。XRD掃描圖譜顯示,在不同沉積時(shí)間下ZnO納米棒都具有[002]峰的擇優(yōu)取向。SEM表面形貌圖顯示,電沉積時(shí)間為2 h時(shí),ZnO納米棒呈現(xiàn)明顯的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。SEM斷面圖表明,電化學(xué)沉積2 h的納米棒最長為1.1μm。最終結(jié)果顯示,電沉積時(shí)間2h制備的納米發(fā)電機(jī)的電壓輸出性能最好,輸出電壓為960 mV。最后,研究了電沉積法制作的能量采集器的工作機(jī)制。2.采用磁控濺射法制備了一種厚度約為80μm的小型能量采集器。它可以用作檢測設(shè)備的加速度即可作為加速度傳感器使用。為了沉積均勻致密的壓電氧化鋅薄膜,采用磁控濺射裝置。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和鋁摻氧化鋅(AZO)分別是能量采集器的絕緣層和上電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用AZO/PMMA/ZnO/不銹鋼結(jié)構(gòu)的能量采集器具有較高的輸出電壓。XRD的結(jié)果表明,退火處理的ZnO薄膜都具有(002)峰的擇優(yōu)取向,ZnO薄膜在退火溫度為150℃時(shí),晶粒較大。此外,退火溫度還影響著能量采集器的開路電壓值。實(shí)驗(yàn)表明,退火溫度為150℃時(shí),輸出電壓達(dá)到最高為3.81 V。所制備的自供電式加速度計(jì)的開路電壓輸出電壓隨加速度線性增大。測試表明該小型加速度計(jì)具有良好的抗疲勞性能,可用于小型輕量化裝置的加速度測量。同時(shí),制備了以致密氧化鋅薄膜為壓電層的三角形壓電振動(dòng)能量采集器。制作并優(yōu)化了四種具有不同三角形的結(jié)構(gòu)參數(shù)的壓電能量采集器樣品(TS-PVEH)。有限元仿真分析(FEM)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三角形結(jié)構(gòu)的高度和寬度對(duì)TS-PVEH的振動(dòng)模態(tài)和輸出性能有顯著影響。優(yōu)化結(jié)果顯示,寬度為8.7 mm,長度為43.7 mm的能量采集器具有最佳的輸出性能。當(dāng)振動(dòng)加速度為5 m/s2,頻率為56 Hz時(shí),其開路電壓為290 mV,短路電流為1.25 μA。此外,當(dāng)負(fù)載為0.1 MΩ時(shí),其最大負(fù)載功率密度為0.035 μW/cm2。3.在柔性透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料上使用磁控濺射法制備透明的ZnO材料作為壓電層,制備具有PDM S/AZO/PDMS/ZnO/PDMS/AZO/PDMS七層結(jié)構(gòu)的ZnO基柔性透明能量采集器用作自供電式傳感器。通過XRD測試結(jié)果表明,生長在PDMS層上的ZnO壓電薄膜在[002]的方向上具有良好的擇優(yōu)取向。對(duì)制備的傳感器采用UV-vis設(shè)備在可見光范圍進(jìn)行透射分析,結(jié)果顯示透射率在80%左右。通過SEM對(duì)ZnO/PDMS結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)ZnO均勻的沉積在PDMS襯底的表面上,對(duì)柔性透明能量采集器的斷面進(jìn)行SEM觀察結(jié)果表明,ZnO的厚度為550 nm。傳感器進(jìn)行彎折測試,發(fā)現(xiàn)電壓先隨著彎折角度的增加而增加,在彎折角度為90度時(shí)電壓最大。傳感器的壓力測試表明,在測試范圍內(nèi),隨著壓力的增加電壓輸出越大。同時(shí),在振動(dòng)測試的結(jié)果說明,隨著加速度的增加,傳感器的壓電信號(hào)在增強(qiáng)。最后把傳感器貼在手腕部,良好的檢測到了手部的運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生了不同特征的電壓信號(hào)。
【圖文】：

逡逑ＺｎＯ在正常的環(huán)境中，ＺｎＯ有著特殊的晶體結(jié)構(gòu)：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。如圖１－丨所示，這種逡逑結(jié)構(gòu)具有六角型的晶胞。Ｚｎ２＋和０２－形成一個(gè)四面體的結(jié)構(gòu)。他們沿著Ｃ軸堆積疊加形成ＺｎＯ邋＝逡逑晶格常數(shù)為：ａ＝０．３２９６，邋ｃ＝０．５２０６５。密度為５．６７ｇ／ｃｍ３。光學(xué)帶隙為３．３７邋ｅＶ。激子結(jié)合能為逡逑６０邋ｍｅＶ。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)組成，，當(dāng)給予ＺｎＯ材料一定的壓力，ＺｎＯ會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)逡逑（ｐｉｚｅｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ）［２０］0逡逑榦逡逑圖１－１氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)＾逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｚｉｎｃ邋ｏｘｉｄｅ１６８１逡逑１．２邋ＺｎＯ基能量采集器發(fā)展概況逡逑自從一個(gè)多世紀(jì)前壓電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以來，大量的壓電材料己經(jīng)得到發(fā)現(xiàn)。然而，具有納逡逑米結(jié)構(gòu)的壓電材料的使用是一個(gè)相對(duì)較新的課題和方向，在納米尺寸范圍內(nèi)，對(duì)壓電的影響逡逑的理解仍在發(fā)展中，許多領(lǐng)域與新的應(yīng)用都與壓電材料有關(guān)。在王老師和宋老師ｍｉ的第逡逑一項(xiàng)研究中，使用汽－液－固（ＶＬＳ）方法在藍(lán)寶石襯底上生長了氧化鋅納米棒，這導(dǎo)致在催化其逡逑生長后，通過原子力顯微鏡（ＡＦＭ）的測試得出１０ｍＶ的電壓輸出。逡逑隨著研宄的深入

逡逑圖１－３基于垂直排列的壓電ＺｎＯ納米線陣列的新型集成納米發(fā)電機(jī)ｌ３Ｑ】逡逑Ｆｉｇ．邋ｌ－３邋Ａ邋ｎｅｗ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｒｒａｙｓ邋ｏｆ邋ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ邋ａｌｉｇｎｅｄ邋ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑ＺｎＯ邋ｎａｎｏｗｉｒｅｓ【３０】逡逑在柔性基底上，在２００９年Ｃｈｏｉ等人［３ｌ］使用低溫硝酸鋅水熱生長方法，在導(dǎo)電氧化銦錫逡逑（ＩＴＯ）涂層的聚醚砜（ＰＥＳ）基板上生長納米棒陣列（圖１－４）。逡逑Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｏｐ邋ｆｉｌｍ逡逑邐Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｔｏｐ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑？？？？邐＾邋ＺｎＯ邋ｎａｎｏｒｏｄ邋ａｒｒａｙ逡逑＼邋ｊ邋ｙ＇邋■邋Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｂｏｔｔｏｍ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑Ｊ邋／邐Ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑ｍｌ逡逑圖ｌ－４氧化鋅納米棒生長在非導(dǎo)電塑料基板的早期柔性能量采集器示意圖Ｉ—逡逑Ｆｉｇ．邋ｌ－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｅａｒｌｙ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｈａｒｖｅｓｔｅｒ邋ｕｓｉｎｇ邋ＺｎＯ邋ｎａｎｏｒｏｄｓ邋（ＳＥＭ邋ｓｈｏｗｎ邋ｉｎ邋ｉｎｓｅｔ）邋ｇｒｏｗｎ邋ｏｎ逡逑ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ丨３１１逡逑在這種情況下，將具有或不具有Ｐｄ－Ａｕ涂層的相同基板的頂部電極壓到納米棒陣列上。逡逑通過使用這種Ｐｄ－Ａｕ涂層，產(chǎn)生了更高的輸出。此外，如圖１－５，王中林老師等課題組還報(bào)逡逑道了使用磁控濺射法制備的ＺｎＯ薄膜能量采集器。因?yàn)榇趴貫R射法生長具有均勻性、再現(xiàn)性、逡逑兼容性和可擴(kuò)展性等因素
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2;O614.241

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本文編號(hào)：2609758