【摘要】：在能源危機(jī)日益緊迫的今天,能源的收集越來越被人們所重視。目前的科技發(fā)展大大降低了電子器件的能源消耗并且提高了其工作效率,從而使得利用將周圍環(huán)境中無處不在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)電子器件或者構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)傳感器件成為了解決電子器件能源供給問題的一個(gè)有效而且環(huán)保的途徑。特別地,在可拉伸和可穿戴電子器件飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代,研究柔性機(jī)械能收集器件具有十分重要的價(jià)值和意義。常見的收集機(jī)械能的方式有電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)、靜電發(fā)電機(jī)、壓電納米發(fā)電機(jī),還有最近發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)。摩擦納米發(fā)電機(jī)由于具有輸出效率高、構(gòu)建簡(jiǎn)便、成本低、質(zhì)量輕巧等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。常用于構(gòu)建壓電納米發(fā)電機(jī)的材料有氧化鋅納米材料,除了具備優(yōu)異的壓電性能外,氧化鋅納米材料還具有優(yōu)異的光電性能如直接帶隙寬禁帶、激子束縛能高、吸光效率高等特性,因而還很適合用來構(gòu)建紫外傳感器。本論文在解決可拉伸和可穿戴電子器件能源供給問題方面做了一系列的研究,設(shè)計(jì)和構(gòu)建了可以有效收集機(jī)械能并且能夠作為自驅(qū)動(dòng)傳感器的若干種柔性摩擦納米發(fā)電機(jī),設(shè)計(jì)和構(gòu)建了能夠給可穿戴電子器件直接供能的柔性可拉伸防水自充電能源系統(tǒng)。本論文還研究了基于氧化鋅納米材料的不同類型紫外傳感器的結(jié)構(gòu)和性能。設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種柔性可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)基于一種新工作模式,摩擦層的摩擦電荷分布／密度的相對(duì)變化驅(qū)使電子在鋁電極和地電極之間往復(fù)傳輸,這種獨(dú)特的工作模式通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算得到了驗(yàn)證。系統(tǒng)地研究了影響發(fā)電機(jī)輸出的各種參數(shù)如結(jié)構(gòu)尺寸,拉伸位移、速度以及加速度等。該發(fā)電機(jī)不但可收集周圍環(huán)境的機(jī)械能量,還可作為自驅(qū)動(dòng)傳感器。當(dāng)把多個(gè)發(fā)電機(jī)整合為一個(gè)傳感系統(tǒng)時(shí),它可用來監(jiān)測(cè)不同方向上的運(yùn)動(dòng)情況：當(dāng)把發(fā)電機(jī)穿戴于人體時(shí),它可檢測(cè)人體的呼吸運(yùn)動(dòng)或者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等。這個(gè)工作大大拓展了柔性機(jī)械能收集器件在能源收集和自驅(qū)動(dòng)傳感方面的應(yīng)用,而且為未來電子器件的發(fā)展提供了一種新路徑。設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一類以靜止或者流動(dòng)的導(dǎo)電液體為電極的具有高度可拉伸性和形狀自適應(yīng)性的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)。該類發(fā)電機(jī)可在各種工作模式下收集環(huán)境中的機(jī)械能,在拉伸應(yīng)變?yōu)?00%的情況下仍然能夠保持高輸出,尺寸和形狀可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意調(diào)節(jié),可適應(yīng)任何三維或者彎曲不平的工作表面,可作為可拉伸可穿戴供能器件,也可作為自驅(qū)動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)傳感器。該類發(fā)電機(jī)還可用來做大面積的或者基于輸水管道的機(jī)械能收集器件。這個(gè)工作給可變形可拉伸供能器件、自驅(qū)動(dòng)傳感器件以及收集基于水的機(jī)械能器件提供了新的研究視角,并且在眾多領(lǐng)域,如機(jī)器人技術(shù)、生物機(jī)械能、生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等,都有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種柔性可拉伸防水自充電能源系統(tǒng)。該自充電能源系統(tǒng)由一個(gè)可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)和可拉伸超級(jí)電容器無縫銜接而成,整個(gè)結(jié)構(gòu)都由柔軟可拉伸的材料組成,可任意變形并收集多種變形運(yùn)動(dòng)的能量。該系統(tǒng)為密封結(jié)構(gòu)而且外表面具有良好的疏水性,所以具有防水功能,其可以安裝于人體,有效收集各種人體運(yùn)動(dòng)能,如拍打肩部、彎曲胳膊或腿、活動(dòng)手腕等。利用從人體運(yùn)動(dòng)所收集的能量,該自充電能源系統(tǒng)可作為可穿戴可拉伸能源供給器件并且成功驅(qū)動(dòng)了一只電子手表。設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的自驅(qū)動(dòng)二維運(yùn)動(dòng)傳感器。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體在該傳感器表面運(yùn)動(dòng)時(shí),所經(jīng)過表面之下陣列分布的電極電勢(shì)將會(huì)發(fā)生變化。從所測(cè)量的電極開路電壓和短路電流,可得出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度等信息,還可檢測(cè)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)信息如運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)的可視化追蹤,當(dāng)將該自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器的每個(gè)電極與LED燈束對(duì)應(yīng)相連時(shí),可通過LED燈束來實(shí)時(shí)可視化滑動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡或者人體的運(yùn)動(dòng)步伐。這個(gè)工作為自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了新的可能性,在體育運(yùn)動(dòng)、安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于氧化鋅納米材料的三種類型紫外傳感器。自驅(qū)動(dòng)型紫外傳感器基于單根四針狀納米氧化鋅/PEDOT：PSS異質(zhì)結(jié),自驅(qū)動(dòng)性能基于光伏效應(yīng),零偏壓下325 nm紫外光(功率0.16 mW)照射時(shí),短路電流～1.1nA,開路電壓～0.2 V,開光比～100,上升時(shí)間～3.5 s,下降時(shí)間～4.5 s。當(dāng)紫外光只照射氧化鋅時(shí),開路電壓和短路電流隨氧化鋅被照射區(qū)域與異質(zhì)結(jié)之間距離的增加而減小。由于四針狀氧化鋅的多端特性,該工作為發(fā)展獨(dú)立且多功能的納米器件提供了一種新思路。歐姆接觸型紫外傳感器構(gòu)基于indium-tin-oxide玻璃上生長(zhǎng)的氧化鋅納米棒陣列,構(gòu)建方法簡(jiǎn)便,1V偏壓下365nm紫外光(2.01 mW/cm2)照射時(shí)的光電流～308.04μA,開光比～5.13×102,回復(fù)時(shí)間～1.69 s,比相應(yīng)氧化鋅納米膜紫外傳感器的響應(yīng)性能好,原因?yàn)檠趸\納米陣列具有更高的比表面積和晶體質(zhì)量。肖特基型紫外傳感器基于硅片上生長(zhǎng)的氧化鋅納米棒陣列,兩個(gè)電極均為金電極。黑暗條件下器件I-V曲線顯示雙肖特基特性,紫外光照射時(shí)變?yōu)闅W姆特性。365 nm紫外光照時(shí)光電流是254 nm紫外光照時(shí)光電流的25倍,這是因?yàn)?54 nm紫外光響應(yīng)時(shí)光生電子空穴對(duì)更容易復(fù)合。
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【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM31;TP212
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本文編號(hào)：2317415