王中林小组首次实现高功率纳米发电机驱动常规电子器件

2010-11-19 10:01 来源: 中国科学院
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  中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院王中林领导的研究小组,首次研发出一系列基于压电纳米材料的大功率纳米发电机(Nanogenerator),输出电压达2~3伏,并将其首次成功应用于驱动常规电子器件。这一系列最新进展的3篇论文分别发表在7月和10月出版的美国《纳米快报》和英国的《自然—通讯》上。

  审稿人认为,该研究成果对纳米发电机的发展和应用具有里程碑式的意义,为纳米新能源的开发和利用提供了新方法和新思路。它将在电子、生物医学、环境监测、基础设施监测、物联网、军事国防和人民生活等领域有着极其广阔的应用前景和影响。

  据王中林介绍,机械能是日常生活中最广泛和最丰富的能源之一,机器震动、引擎转动、身体运动、血液流动甚至呼吸心跳等都是机械能的表现形式。如果能将这些耗散的机械能转化成电能,那么电子器件或系统将能够在无外接电源的条件下,从环境中采集能量并长时间地工作,实现自驱动的纳米系统。这不仅有着极大的科学意义,也将会对未来人类生活产生深远的影响。在过去6年中,他领导的纳米研究小组一直致力于研发基于新型纳米材料的能源转化和利用,实现了从概念到理论,再到工艺,直至技术应用的持续和飞跃式发展。继2006年首次利用氧化锌纳米线发明纳米发电机的原理以来,该小组相继研发出高频驱动直流纳米发电机、纤维纳米发电机和低频驱动柔性交流纳米发电机。

  然而,输出功率小一直是制约纳米发电机实际应用的瓶颈。经过两年多的技术攻关,王中林小组通过巧妙的实验设计和工艺组装,终于成功地大幅提升了纳米发电机的功率,使之输出电压高达3伏,它不但比两年前提高了40倍,并首次成功驱动了常规电子器件,如发光二极管、激光二极管和小型液晶显示器等,实现了纳米发电机从基础方法研究到实际应用的突破性进展。

  其中,由博士生朱光、王思浤和博士后杨如森组成的课题小组,设计和制作出了基于水平氧化锌纳米线阵列的柔性交流发电机。他们首先利用物理气相法在水平基底上合成出竖直的氧化锌纳米线阵列,然后通过巧妙的实验装置将纳米线转移到柔性基底上,形成排列取向和晶格取向都一致的水平氧化锌纳米线阵列;再经过光刻、溅射等工艺,将等间距的条状金属电极和纳米线紧密结合,最后利用弹性材料将器件封装完毕。在仅仅0.1%的拉伸应变下,这种集成了大量纳米线的纳米发电机能够输出高达2伏的电压。为了实现基于纳米发电机的自驱动纳米技术,这个课题组将该集成纳米发电机整合到全桥整流电路中,在充电阶段,纳米发电机输出的交流电被电容器有效地储存起来。当储存的电量和电压达到一定数值时,储存的电能被成功用于驱动一发光二极管。王中林说,这是纳米发电机首次成功地驱动常规电子器件,为自驱动纳米技术的实际应用提供了一条有效途径。

  与此同时,博士后胡又凡、张岩和博士生许晨等组成的课题小组,发展了一种不用电极而依靠压电电压引起的极化效应,发明了利用锥形纳米线的独特结构形态来发电的原创性方法。他们在柔性基片上发展出一种高输出交流纳米发电机,并将其用于连续驱动液晶显示器。该方法具有低成本、高性能的特点,并适应于大规模制造。

  博士生徐升等组成的课题小组将铅锆钛氧化物(PZT)压电材料引入到纳米发电机的设计中,不但首次实现了利用化学法生长PZT纳米线阵列,而且成功展示了由它组装的纳米发电机可以间隔地驱动激光二极管的能力。

  从基础科学到工程设计再到技术应用,王中林10年潜心氧化锌研究,打造了纳米发电机的研究品牌。他表示,纳米发电机为真正实现自驱动纳米技术打下了坚实的理论和技术基础和路线,而最近在纳米发电机方面的突破性进展,则充分证明和演示了该技术的广阔应用和商业化前景。