一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法技术

一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，涉及纳米发电机。提供灵活性强，可操作性简单，容易集成耐磨材料，可用于衣服和鞋子，成功将身体的日常运动的机械能转化为电能，为智能服饰的开发和应用提供前提条件的一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法。在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列，得ZnO/h‑BN/金属复合结构；在ZnO/h‑BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列，得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；去除金属衬底，获得埋藏氧化锌纳米柱阵列的透明PDMS薄膜结构；在PDMS/ZnO薄膜结构连帽压印上金属纳米线网络，退火得纳米焊接网络，做透明电极；连接上下电极至载体，即完发电机的制备。

Method for preparing transparent flexible piezoelectric nano generator

The invention discloses a method for preparing a transparent flexible piezoelectric nano generator, relating to a nano generator. Provide a flexible, simple operation, easy integration of wear-resistant materials, can be used for clothes and shoes, the success of daily exercise of the body mechanical energy into electrical energy and preparation method provides the prerequisites for the development and application of intelligent clothing is a kind of transparent flexible piezoelectric nano generator. Zinc Oxide and nanorod arrays grown directly on the metal substrate, the ZnO/h BN/ metal composite structure; in the ZnO/h BN/ metal composite structure of spin coated PDMS transparent silicone gel filled nano column array, Zinc Oxide nano column array film elastic; removal of metal substrate, transparent PDMS films get buried Zinc Oxide nano column array; in the structure of PDMS/ZnO thin films even network metal nano wire cap imprint, annealing nano transparent electrode; welding network, connecting the upper and lower electrodes to the carrier, namely the end of generator preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法
本专利技术涉及纳米发电机，尤其是涉及一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法。
技术介绍
微电子技术，无线电子技术的飞速发展以及各种微小型电子设备，微机电系统在工业、通讯以及家庭生活领域的广泛应用，极大地丰富和方便了人们的生活和工作。但在能量供给方面，依然采用传统的供给方式，主要依靠化学电池。化学电池尽管因其方便的优点而被广泛应用，但其实其自身有很大的局限性，如环境污染性、能源损耗性等。并且随着科技的发展，一些传统的供给方式已不能满足现在的需要，因此人们迫切希望找到一种新型的供能方式，用以适应现代技术发展的变化，促进电子信息相关产业的发展。由于纳米技术的蓬勃发展，基于纳米技术的纳米发电机取代传统的供电设备作为未来的能量供给主力军成为众多学者研究的课题。纳米发电机是一种将微小的物理变化引起的机械能转化为电能的装置，目前主要有三种类型：压电式、摩擦电式和热电式。其中以压电式纳米发电机最受学者关注。这种压电式发电机能够将人体行走时自然产生的机械能转化为电能，这种环保、便捷、持久性的优点有望使个人电子设备——移动电话、音乐播放器，甚至小型的笔记本电脑所需要的能量全部来源于一个人日常的行动。而作为纳米材料界的佼佼者——氧化锌纳米棒，氧化锌是极性半导体，具有很强的压电激化系数，并且由于其直宽禁带和大的激励结合能，也被公认为制作纳米压电设备最重要的材料之一。氧化锌纳米材料通常以纳米线和纳米棒的形式存在。特别是近年来人们对垂直有序排列的氧化锌纳米棒阵列的制备和研究，使得氧化锌纳米材料除了应用于紫外激光器、发光二极管、太阳能电池和LED，还可以应用于压电效应的纳米压电机([1]D.Choi,M.Y.Choi,W.M.Choi,H.J.Shin,H.K.Park,J.S.Seo,J.Park,S.M.Yoon,S.J.Chae,Y.H.Lee,S.W.Kim,J.Y.Choi,S.Y.Lee,J.M.Kim.FullyRollableTransparentNanogeneratorsBasedonGrapheneElectrodes[J].AdvancedMaterials,2010,22(19):2187；[2]J.O.Hwang,D.H.Lee,J.Y.Kim,T.H.Han,B.H.Kim,M.Park,K.No,S.O.Kim.VerticalZnOnanowires/graphenehybridsfortransparentandflexiblefieldemission[J].JournalOfMaterialsChemistry,2011,21(10):3432-3437)。成功地在柔性的、导电的金属衬底上生长了整齐的氧化锌纳米柱阵列，这就给进一步的器件应用提供了很好的结构，可以将这种复杂的结构应用于纳米发电设备。胡友凡和王中林最早提出了氧化锌压电效应的应用。他们基于压电效应提出了三明治结构的设计。首先，通过水热法在聚酯(PS)衬底的顶部和底部生长了密集的氧化锌纳米线；然后，一层在氧化锌纳米阵列表面涂一层薄薄的PMMA，使之绝缘；接着沉积一层铬/金作为纳米发电机的电极；最后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)完全封装提高机械稳定性。因为氧化锌纳米线垂直于PS衬底生长，纳米线的底部通过氧化锌种子层连接，他们的顶部也粘合形成一个膜。因此整体结构可视为两平行的氧化锌薄膜之间填满了氧化锌纳米线阵列而形成整体的一层有质感的膜。压电过程中，整个结构被弯曲，上表面拉伸，下表面压缩。但由于PS本身不导电，所以整个结构制作工艺非常复杂。
技术实现思路
本专利技术旨在提供灵活性强，可操作性简单，容易集成耐磨材料，可用于衣服和鞋子，成功将身体的日常运动的机械能转化为电能，为智能服饰的开发和应用提供前提条件的一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1)在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列，获得ZnO/h-BN/金属复合结构；在步骤1)中，所述在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列的具体方法可为：将六方氮化硼二维薄膜转移覆盖至金属衬底表面，作为预导向和预成核层，利用氧化锌纳米柱生长方法直接生长纳米柱阵列于金属衬底上；所述方法包括化学气相外延方法、水热法或其他相关纳米柱生长方法；所述金属衬底可选自铜、镍、铂、铝、铁、金等中的至少一种或合金。2)在ZnO/h-BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列，获得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；在步骤2)中，所述在ZnO/h-BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列的具体方法可为：在ZnO/h-BN/金属复合结构上旋涂填充透明硅胶PDMS，再保持纳米柱顶部裸露，加热烘干后得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；所述透明硅胶PDMS可由硅胶弹性基体液和固化剂组成，所述硅胶弹性基体液和固化剂的质量比可为10︰(0.2～1)；所述加热烘干的温度可为50～150℃，加热烘干的时间可为0.5h。3)去除金属衬底，获得埋藏氧化锌纳米柱阵列的透明PDMS薄膜结构；在步骤3)中，所述去除金属衬底的具体方法可为：将步骤2)得到的弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜放入化学腐蚀液中溶去金属衬底，所述化学腐蚀液可根据所采用的金属衬底调配，当采用铜箔衬底时，所述化学腐蚀液可采用过硫酸铵溶液。4)在PDMS/ZnO薄膜结构连帽压印上金属纳米线网络，低温退火获得纳米焊接网络，做透明电极；在步骤4)中，所述所述金属纳米线可选自银纳米线、铜纳米线、金纳米线、铂纳米线、铝纳米线、钯纳米线等中的至少一种；所述低温退火的温度可为125℃。5)连接上下两个电极至载体，即完成透明柔性的压电式纳米发电机的制备。本专利技术的关键是：1)本专利技术将将六方氮化硼二维薄膜转移覆盖至金属衬底表面，作为预导向和预成核层，利用氧化锌纳米柱生长方法直接生长纳米柱阵列于金属衬底上，获得整齐的氧化锌纳米柱阵列；2)在ZnO/h-BN/金属衬底这种结构上旋涂填充透明硅胶PDMS，使PDMS胶体浸润到氧化锌纳米柱阵列，填充纳米柱间空隙，其中硅胶透明体，可由硅胶弹性基体液和固化剂以一定比例(10︰0.2～1)调配，制作涂覆硅胶试剂，旋涂后需保持纳米柱顶部裸露，加热烘干(50～150℃)0.5h；3)将旋涂好PDMS的样品放入化学腐蚀液中溶去金属衬底，其中化学腐蚀液可根据衬底金属调配，如用铜箔衬底，可使用过硫酸铵溶液去除，得到透明的氧化锌纳米棒阵列嵌在PDMS中的薄膜；4)在PDMS/ZnO/h-BN这种结构的正反两面压印上金属纳米线，制作柔性透明电极。对金属纳米线电极其进行低温退火处理，使其相互搭在一起进行纳米焊接，形成纳米丝导电网络，得到透明电极；5)使用导线或银胶将上下两个电极连接负载，负载可包括蓄电池、电容器、及各类电子元器件，进行弯折、扭转、按压等机械力作用，即可产生外部电压和电流，实现压电式发电。本专利技术通过一系列简易操作成功制作出了一种透明柔性的压电式纳米发电机，利用生长均匀整齐的氧化锌纳米柱阵列，制作简易的PDMS/ZnO/h-BN结构，压印金属纳米线透明电极等技术，实现发电机制作。该发电机在测试中经过简单的压缩和伸张等机械运动，就可以获得外部电压。透明柔性的压电式纳米发电机适宜应用于各类智本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列，获得ZnO/h‑BN/金属复合结构；2)在ZnO/h‑BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列，获得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；3)去除金属衬底，获得埋藏氧化锌纳米柱阵列的透明PDMS薄膜结构；4)在PDMS/ZnO薄膜结构连帽压印上金属纳米线网络，低温退火获得纳米焊接网络，做透明电极；5)连接上下两个电极至载体，即完成透明柔性的压电式纳米发电机的制备。

【技术特征摘要】
1.一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列，获得ZnO/h-BN/金属复合结构；2)在ZnO/h-BN/金属复合结构上旋涂PDMS透明硅胶填充纳米柱阵列，获得弹性的氧化锌纳米柱阵列薄膜；3)去除金属衬底，获得埋藏氧化锌纳米柱阵列的透明PDMS薄膜结构；4)在PDMS/ZnO薄膜结构连帽压印上金属纳米线网络，低温退火获得纳米焊接网络，做透明电极；5)连接上下两个电极至载体，即完成透明柔性的压电式纳米发电机的制备。2.如权利要求1所述一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述在金属衬底直接生长整齐的氧化锌纳米柱阵列的具体方法为：将六方氮化硼二维薄膜转移覆盖至金属衬底表面，作为预导向和预成核层，利用氧化锌纳米柱生长方法直接生长纳米柱阵列于金属衬底上。3.如权利要求2所述一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，其特征在于所述方法包括化学气相外延方法、水热法或其他相关纳米柱生长方法。4.如权利要求1所述一种透明柔性的压电式纳米发电机的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属衬底选自铜、镍、铂、铝、铁、金中的至少一种或合金。5.如权利要求1所述一种透明柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡端俊，孙飞鹏，马吉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35