Разработка и исследование нанохарвестера пьезоэлектрической энергии на основе нанокристаллов оксида цинка

• Автор: Козьмин, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Оглавление.
Оглавление
Введение
Глава 1. Принципы работы нанохарвестеров, методики формирования устройств на их основе и варианты применений

1.1. Принципы работы нанохарвестеров

1.1.1. Пьезоэлектрический эффект материалов

1.1.2. Почему был выбран пьезоэлектрический материал 7пО!

1.2. Известные конструкции нанохарвестеров

1.2.1. Управляемый ультразвуком нанохарвестер

1.2.2. Нанохарвестер с горизонтально расположенными на подложке нанокристаллами

1.2.3 «Энергетическая ткань» и нанохарвестер, созданный из волокон ткани

1.2.4. Биомедицинские приложения нанохарвестеров
1.2.5. Нанохарвестер как высокочувствительный сенсор
1.2.6. Нанохарвестер на гибких подложках
1.2.7. Моделирование процессов и изучение свойств нанохарвестеров
1.2.8. Нанохарвестеры на других материалах, помимо кристаллов 7пО
Выводы из Главы
Глава 2. Теоретическое изучение процессов, протекающих в нанохарвестере и их компьютерное моделирование
2.1. Теоретические выкладки, формулы и описания
2.2. Моделирование процессов в среде программы «СОМБОЬ МиШрИувкя»
Выводы из Главы
Глава 3. Разработка конструкций нанохарвестеров и исследование их свойств
3.1. Описание лабораторной технологии получения массивов нанокристаллов ЪпО
3.2. Разработка различных конструкций нанохарвестеров
3.2.1. Нанохарвестер с плоским подвижным электродом
3.2.2. Взаимодействие «кристаллы в кристаллы»

3.2.3. Нанохарвестер с заполнением свободного пространства между кристаллами
3.2.4. Заполнение оксидом цинка
3.2.5. Заполнение пространства кремнием и оксидом кремния л
3.3. Конструкции нанохарвестеров без движущихся частей
3.3.1. Конструкция с покрытием ПВДФ
3.3.2 Конструкции с использованием углеродных нанотрубок (УНТ)
3.3.3. Напыление металла поверх активной структуры нанохарвестера
3.4. Замена кремниевых пластин другим материалом
3.5. Сборная конструкция из нескольких параллельно подключенных нанохарвестеров
3.6. Методы исследования конструкций нанохарвестеров
3.6.1. Одиночные нажатия и сдавливания
3.6.2. Исследования на вибростенде
3.6.3. Деградация характеристик нанохарвестера на воздухе
3.7. Метод измерения скачков тока при помощи проводящего зонда атомносилового микроскопа
3.7.1. Исследование поверхности массива нанокристаллов
3.7.2. Исследование токовых характеристик
3.8. Схема с диодным мостом для сбора пьезоэлектрической энергии
3.9. Обсуждение полученных результатов
Заключение
Литература
Введение.
С ростом угрозы загрязнения окружающей среды, глобального потепления и энергетического кризиса, вызванного прямой зависимостью человечества от не возобновляемого ископаемого топлива, исследования в областях источников экологически чистой и возобновляемой альтернативной энергии являются одной из наиболее острых проблем дальнейшего развития человеческой цивилизации. Помимо используемых сегодня человечеством источников энергии, таких как нефть, уголь, гидроэнергия, природный газ, энергия ветра и атомных станций, ведётся разработка, и проводятся исследования в области альтернативных энергетических ресурсов, таких как солнечная энергия, геотермальная энергия, биологическое топливо и водородная энергия. Хотя существует потенциал для использования таких альтернативных источников для крупномасштабного энергоснабжения, энергия, которая может быть собрана из этих источников, по-прежнему главным образом используется для мелкомасштабных энергетических приложений.
Ключевые тенденции развития технологий на сегодняшний день заключаются в быстром росте персональной и мобильной электроники для приложений в области средств связи, здравоохранения и мониторинга окружающей среды. По отдельности потребляемая мощность такой электроники невелика, однако само количество таких устройств огромно. Сравнительные мощности различных областей интереса человека показаны на Рисунок 1 [1]. На текущий момент, питание электронных устройств до сих пор опирается на перезаряжаемые батареи и аккумуляторы. Необходимое количество аккумуляторов возрастает пропорционально с ростом числа и плотности использования устройств мобильной электроники и может привести к проблемам утилизации и частой замены аккумуляторных батарей, а так же к вопросу о загрязнении окружающей среды.
Кроме увеличения срока службы и ёмкости всевозможных аккумуляторов и электрических батарей в последние годы большой интерес исследователей вызывают безотходные, экологически чистые способы получения электрической энергии из различных видов природных возобновляемых источников, таких как солнечный свет, ветер, приливы, геотермальная энергия и др.

оксида цинка, составленная из плотно упакованных нанокристаллов оксида цинка,

видно соосное упорядочение по оси Ъ г) плёнка оксида цинка, составленная из упорядоченных параллельно нанокристаллов; д) схема волоконного наногенератора, основанного на углеродном волокне, покрытом слоем оксида цинка; е) принцип работы волоконного наногенератора, где знаки +/- означают полярность локального пьезоэлектрического потенциала, создаваемого на внешней и внутренней поверхности тонкой плёнки оксида цинка.
Описанный наногенератор имеет ряд преимуществ перед вертикально или латерально упорядоченным массивом нанокристаллов. Во первых, наногенератор использует гибкие волокна, что открывает потенциал для интеграции в фабричное производство «силовой» одежды. Во вторых, такой наногенератор не нуждается в покрытии плёнкой полимера, что обычно приводит к затуханию амплитуды механических срабатываний, поэтому, выходное напряжение существенно высоко. В третьих, дизайн устройства основывается на давлении воздуха, так что оно может работать в бесконтактном режиме на всех типах доступных поверхностей, что может быть использовано при проектировании сенсоров во вращающихся шинах, потоке воздуха или жидкости, и даже в кровеносных сосудах. Энергия, получаемая таким наногенератором, например, из кровеносных сосудов, газовых или нефтяных труб, может быть использована для отслеживания состояния и действия газа или жидкости.
1.2.4. Биомедицинские приложения нанохарвестеров.
Совсем недавно, в 2012 году, выходной сигнал устройства наногенератора на основе нанонитей окида цинка был использован чтобы стимулировать нервы лягушачьей лапки воздействием электрического тока, что демонстрирует потенциал биомедицинских применений [34]. Гуан Чжу (Guang ТЬл) с коллегами создали наногенератор на основе оксида цинка с помощью вертикально упорядоченных нанонитей ни кремниевой подложке, покрытой оксидом индия и олова (1ТО). Нанонити были полностью покрыты тонким слоем ПММА для электрической изоляции нанонитей от металлического электрода, впоследствии