一种压电结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种压电结构及其制备方法，压电结构包括：压电膜层；位于压电膜层一侧表面的种子层；位于种子层背离压电膜层的一侧表面的纳米线阵列层，纳米线阵列层的材料为半导体压电材料。当在外界作用下发生形变时，压电膜层和纳米线阵列层产生压电效应，压电膜层相对设置的两个表面和纳米线阵列层相对设置的两个表面均产生相反的电荷，使位于两者之间的种子层受到电场作用，在上述电场的作用下，种子层实现了压电膜层和纳米线阵列层的串联，压电结构所产生的电能为压电膜层和纳米线阵列层所产生的电能的加和，有效提高了压电材料的压电转换效率。电转换效率。电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种压电结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及压电
，具体涉及一种压电结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]为实时监测设备状态、保证设备运行安全，变压器、发电机组等设备均配置大量的传感器件，可采集获得其温度、油气、电场、振动等物理信号。随着材料科学与传感技术的进步，传感器的功耗日趋微小，将机械能转化成微弱电能以驱动器件已成为可能。尤其是在长期服役过程中，为实现免维护功能，避免人工更换电池的人力成本，传感器宜进行自取能模块的配置。
[0003]压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转换为电能的器件，是较为理想的取能装置。在外界作用下，压电材料产生的极化电荷和随时间变化的电场可驱动电子在外电路发生流动，进而产生电能。
[0004]然而，现有压电材料的压电转换效率有限。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有压电材料的压电转换效率有限的缺陷，从而提供一种压电结构及其制备方法。
[0006]本专利技术提供一种压电结构，包括：压电膜层；位于所述压电膜层一侧表面的种子层；位于所述种子层背离所述压电膜层的一侧表面的纳米线阵列层，所述纳米线阵列层的材料为半导体压电材料。
[0007]可选的，所述压电膜层包括压电陶瓷膜层。
[0008]可选的，所述压电陶瓷膜层包括铌酸钾钠基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷或氮化铝陶瓷。
[0009]可选的，所述种子层和所述纳米线阵列层的材料相同。
[0010]可选的，所述纳米线阵列层包括氧化锌纳米线阵列层，所述种子层为氧化锌种子层。
[0011]可选的，所述纳米线阵列层包括若干个纳米线，所述纳米线的延伸方向与所述压电膜层的表面的法线之间的夹角大于等于0度且小于等于10度。
[0012]可选的，所述纳米线的长度为0.9μm
‑
9.6μm。
[0013]可选的，所述压电结构还包括：位于所述压电膜层背向所述纳米线阵列层的一侧表面的柔性基体；位于所述纳米线阵列层背离所述压电膜层的一侧表面的第一电极层。
[0014]可选的，所述柔性基体包括绝缘柔性衬底和位于所述绝缘柔性衬底朝向所述压电膜层一侧表面的第二电极层。
[0015]可选的，所述柔性基体为金属片。
[0016]可选的，所述压电膜层的厚度为40μm
‑
110μm。
[0017]可选的，所述种子层的厚度为70μm
‑
120μm。
[0018]可选的，所述压电结构为压电纳米发电机。
[0019]本专利技术还提供一种压电结构的制备方法，包括：形成压电膜层；在所述压电膜层的一侧表面形成种子层；在所述种子层背离所述压电膜层的一侧表面形成纳米线阵列层，所述纳米线阵列层的材料为半导体压电材料。
[0020]可选的，所述压电结构的制备方法还包括：提供基底；形成所述压电膜层的步骤为：在所述基底上形成压电膜层；所述压电结构的制备方法还包括：形成所述纳米线阵列层之后，分离所述基底和所述压电膜层。
[0021]可选的，所述压电结构的制备方法还包括：提供柔性基体；分离所述基底和所述压电膜层之后，将所述压电膜层背离所述纳米线阵列层的一侧表面贴合在所述柔性基体的表面。
[0022]可选的，形成所述纳米线阵列层的步骤包括：依次进行第一生长阶段至第N生长阶段，第n生长阶段采用水热法形成若干个第n段子纳米线，N为大于或等于2的整数，n为大于等于1且小于等于N的整数；在第k生长阶段至第k+1生长阶段之间，对第一段子纳米线至第k段子纳米线进行第k次浸泡处理，k为大于等于1且小于等于N
‑
1的整数。
[0023]可选的，在第k次浸泡处理之后，且在进行第k+1生长阶段之前，清洗去除第一段子纳米线至第k段子纳米线表面的浸泡液。
[0024]可选的，清洗去除第一段子纳米线至第k段子纳米线表面的浸泡液之后，且在进行第k+1生长阶段之前，对第一段子纳米线至第k段子纳米线进行第k次紫外臭氧处理。
[0025]可选的，所述纳米线阵列层包括氧化锌纳米线阵列层；第n生长阶段采用的水热溶液包括锌盐、六亚甲基四胺和水；所述水热溶液以质量份数计包括：锌盐15份
‑
30份、六亚甲基四胺10份
‑
20份、水60份
‑
80份。
[0026]可选的，所述锌盐包括硝酸锌、醋酸锌或氯化锌。
[0027]可选的，所述水热溶液还包括：以质量份数计，掺杂剂3份
‑
5份，所述掺杂剂包括水溶性银盐、水溶性铝盐或水溶性镧盐。
[0028]可选的，所述水热溶液还包括：氨水，所述水热溶液的pH值为7.5
‑
8.5。
[0029]可选的，水溶性银盐包括硝酸银；水溶性铝盐包括硝酸铝；水溶性镧盐包括乙酸镧。
[0030]可选的，第k次浸泡处理的参数包括：采用的浸泡液中，十八烷基三氯硅烷的质量百分比为0.1％～0.5％，其余为正己烷；第k次浸泡处理的时间为0.5h
‑
2.5h。
[0031]可选的，采用无水乙醇清洗去除第一段子纳米线至第k段子纳米线表面的浸泡液。
[0032]可选的，第n生长阶段采用的加热温度为90℃
‑
100℃，加热时间为1h
‑
3h
[0033]可选的，N为2、3或4。
[0034]可选的，分离所述基底和所述压电膜层的步骤包括：采用准分子激光器向所述基底和所述压电膜层的界面发射激光。
[0035]可选的，所述激光的能量密度为200mJ/cm2‑
350mJ/cm2，所述激光的光斑重叠率为60％～70％。
[0036]可选的，形成所述压电膜层的工艺包括磁控溅射工艺；形成所述种子层的工艺包括磁控溅射工艺。
[0037]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0038]1.本专利技术提供的压电结构，当在外界作用下发生形变时，压电膜层和纳米线阵列层产生压电效应，压电膜层相对设置的两个表面和纳米线阵列层相对设置的两个表面均产生相反的电荷，使位于两者之间的种子层受到电场作用，在上述电场的作用下，种子层能够传输载流子，即，种子层实现了压电膜层和纳米线阵列层的串联，压电结构所产生的电能为压电膜层和纳米线阵列层所产生的电能的加和，有效提高了压电材料的压电转换效率。同时，压电结构的结构简单、轻薄，适用于不同的领域。
[0039]2.本专利技术提供的压电结构，所述压电膜层包括压电陶瓷膜层，所述压电陶瓷膜层包括铌酸钾钠基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷或氮化铝陶瓷，材料环保无污染。
[0040]3.本专利技术提供的压电结构，还包括位于所述压电膜层背向所述纳米线阵列层的一侧表面的柔性基体，当柔性基体在外界作用下发生形变时，压电膜层和纳米线阵列层的形变程度与柔性基体的形变程度相近或相同，即，压电膜层和纳米线阵列层均发生较大程度的形变，这有效增大了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电结构，其特征在于，包括：压电膜层；位于所述压电膜层一侧表面的种子层；位于所述种子层背离所述压电膜层的一侧表面的纳米线阵列层，所述纳米线阵列层的材料为半导体压电材料。2.根据权利要求1所述的压电结构，其特征在于，所述压电膜层包括压电陶瓷膜层；优选的，所述压电陶瓷膜层包括铌酸钾钠基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷或氮化铝陶瓷。3.根据权利要求1所述的压电结构，其特征在于，所述种子层和所述纳米线阵列层的材料相同；优选的，所述纳米线阵列层包括氧化锌纳米线阵列层，所述种子层为氧化锌种子层。4.根据权利要求1所述的压电结构，其特征在于，所述纳米线阵列层包括若干个纳米线，所述纳米线的延伸方向与所述压电膜层的表面的法线之间的夹角大于等于0度且小于等于10度；优选的，所述纳米线的长度为0.9μm
‑
9.6μm。5.根据权利要求1所述的压电结构，其特征在于，还包括：位于所述压电膜层背向所述纳米线阵列层的一侧表面的柔性基体；位于所述纳米线阵列层背离所述压电膜层的一侧表面的第一电极层；优选的，所述柔性基体包括绝缘柔性衬底和位于所述绝缘柔性衬底朝向所述压电膜层一侧表面的第二电极层；优选的，所述柔性基体为金属片。6.根据权利要求1或5所述的压电结构，其特征在于，所述压电膜层的厚度为40μm
‑
110μm。7.根据权利要求1所述的压电结构，其特征在于，所述压电结构为压电纳米发电机。8.一种压电结构的制备方法，其特征在于，包括：形成压电膜层；在所述压电膜层的一侧表面形成种子层；在所述种子层背离所述压电膜层的一侧表面形成纳米线阵列层，所述纳米线阵列层的材料为半导体压电材料。9.根据权利要求8所述的压电结构的制备方法，其特征在于，还包括：提供基底；形成所述压电膜层的步骤为：在所述基底上形成压电膜层；所述压电结构的制备方法还包括：形成所述纳米线阵列层之后，分离所述基底和所述压电膜层；优选的，所述压电结构的制备方法还包括：提供柔性基体；分离所述基底和所述压电膜层之后，将所述压电膜层背离所述纳米线阵列层的一侧表面贴合在所述柔性基体的表面。10.根据权利要求8所述的压电结构的制备方法，其特征在于，形成所述纳米线阵列层的步骤包括：依次进行第一生长阶段至第N生长阶段，第n生长阶段采用水热法形成若干个第n段子...

【专利技术属性】
技术研发人员：田一，聂京凯，崔建业，耿进锋，史昌明，龚文，何强，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院国网浙江省电力有限公司金华供电公司国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院浙江清华长三角研究院，
类型：发明
国别省市：