纳米压电发电机及其制造方法技术

本发明专利技术提供纳米压电发电机及其制造方法。所述纳米压电发电机包括第一电极和第二电极、在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元、和在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。

【技术实现步骤摘要】
纳米压电发电机及其制造方法相关申请的交叉引用本申请要求2012年2月23日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0018655的权益，其公开内容通过参考全部引入本文。
本公开内容涉及纳米压电发电机(nano-piezoelectricgenerator)和制造所述纳米压电发电机的方法。
技术介绍
压电发电机是用于将机械振动转变为电能的装置(器件，device)，并且可用作小尺寸装置和传感器的电源或者可用作用于传感(检测，sense)机械振动的传感器。近来，已研究了纳米压电电子学(nanopiezotronics)，其为在纳米范围尺度上使用压电现象的领域。由于应变限制效应，与体结构体(大体积结构体，bulkstructure)的压电效率相比，纳米结构体的压电效率可改善。即，在体结构体中，由于应力而产生的应变在其中未施加应力的方向上以及在其中施加应力的方向上发生，且因此应变被分散。然而，在纳米结构体中，和特别地，在作为一维纳米结构体的纳米线结构体中，应变仅限于其中施加应力的纳米线结构体的长度方向，且因此可获得高的压电系数。另一方面，公知的压电材料如锆钛酸铅(PZT)和钡钛氧化物(BTO)不适合于制纳米线(nano-wiring)且包括对人类有害的物质。因此，近来，已积极地研究适合于制纳米线的材料如ZnO或GaN作为新的纳米压电材料。
技术实现思路
提供具有改善的压电效率的纳米压电发电机和制造所述纳米压电发电机的方法。另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获知。根据本专利技术的一个方面，纳米压电发电机包括：第一电极和第二电极；在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；以及在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。所述中间层可包括氧化物或聚合物。所述中间层可包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。所述第一电极可由金属材料、导电氧化物、或导电聚合物形成。所述纳米压电单元可包括ZnO或GaN。所述纳米压电单元可包括：含有预定的第一载流子的纳米结构体；和用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元。所述浓度调节单元可包括掺杂在所述纳米结构体中并且具有与所述第一载流子的极性相反的极性的第二载流子。所述纳米结构体可由ZnO半导体纳米线形成，和所述第二载流子可为p型杂质。所述p型杂质可为Li。所述浓度调节单元可包括附着至所述纳米结构体的表面并且具有与所述第一载流子的极性相同的极性的官能团。所述纳米结构体可由ZnO半导体纳米线形成，并且所述官能团可具有负电荷。所述浓度调节单元可包括涂覆在所述纳米结构体的表面上的铁电材料。根据本专利技术的另一方面，制造纳米压电发电机的方法包括：在第一电极上形成由绝缘材料形成的中间层；在第二电极上形成至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和将所述至少一个纳米压电单元结合到所述中间层。附图说明从结合附图考虑的实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，在附图中：图1是根据本专利技术的一个实施方式的纳米压电发电机的示意性透视图；图2A和2B是显示根据对比例的纳米压电发电机的压电电势(piezoelectricpotential)的图；图3A和3B是显示图1中所示的纳米压电发电机的压电电势的图，其中中间层的材料分别是MoO3和VO2；图4是根据本专利技术的另一实施方式的纳米压电发电机的示意性透视图；图5是显示在ZnO纳米线中压电电势相对于载流子的浓度的计算机模拟图；图6A至6C是显示在图4的纳米压电发电机中可采用的纳米压电单元的例子的图，其中官能团附着至纳米结构体的表面；图7是显示在图4的纳米压电发电机中可采用的纳米压电单元的另一例子的概念图(草图，conceptualview)，其中铁电材料施加在纳米结构体的表面上以控制所述纳米结构体中的载流子的浓度；和图8A至8C是说明根据本专利技术的实施方式的制造纳米压电发电机的方法的图。具体实施方式现在将详细介绍实施方式，其例子说明于附图中，其中相同的附图标记始终是指相同的元件。在这点上，当前的实施方式可具有不同的形式并且不应解释为限于本文中所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述实施方式，以解释本描述的方面。表述例如“的至少一个(种)”，当在要素列表之前或之后时，修饰要素的整个列表且不修饰所述列表的单个要素。图1是根据本专利技术的一个实施方式的纳米压电发电机100的示意性透视图。参照图1，纳米压电发电机100包括第一电极120、第二电极150、在第一电极120和第二电极150之间形成的纳米压电单元140、以及在第一电极120和纳米压电单元140的至少一个之间形成的中间层130。纳米压电发电机100是用于将由于细微振动或移动而产生的机械能转变为电能的装置，并且包括具有用于改善压电性能的纳米结构体的纳米压电单元140和由绝缘材料形成的中间层130。将如下更详细地描述纳米压电发电机100。纳米压电单元140各自由纳米结构体形式的半导体压电材料形成。所述半导体压电材料可为，例如，ZnO或GaN。所述纳米结构体可为纳米棒、纳米线、纳米孔或纳米管，但本实施方式不限于此。此外，纳米压电单元140可具有多种横截面形状例如六边形形状或方形形状，或者可具有在生长轴方向上在面积方面变化的横截面，例如纳米针。由于应变限制效应，纳米结构体可具有比体结构体的压电效率好的压电效率。即，在体结构体中，由于应力而产生的应变在其中未施加应力的方向上以及在其中施加应力的方向上发生，且因此应变被分散。然而，在纳米结构体中，和特别地，在纳米线结构体即一维纳米结构体中，应变仅限于其中施加应力的纳米线结构体的长度方向，且因此可获得高的压电系数。中间层130可设置在第一和第二电极120和150之一，例如，第一电极120与纳米压电单元140之间，如图1中所示。通常，在使用半导体压电材料的发电机中，肖特基(Schottky)接触发生在电极和半导体之间。当从外界向压电材料施加机械力时，在压电材料中产生压电电压，形成电极的费米能级，并且在外部电路中产生电子流以使电极的费米能级相符(coincide)。为了使制造平衡状态的电子流仅在外部电路中发生，要求在半导体压电材料和电极之间形成高的肖特基势垒。然而，可能存在通过界面的泄漏电流，即使具有肖特基势垒，并且这使产生的电压降低且使能量产生效率降低。为了解决以上问题，肖特基势垒必须更高。然而，在选择用于形成电极的材料方面存在限制。例如，必须使用具有高的功函数的昂贵材料，例如Pt和Au。在本实施方式中，将由绝缘材料形成的中间层130插入电极和半导体之间以绕过(circumvent)在电极材料选择方面的限制和减少界面泄漏电流，且因此压电效率得以改善。中间层130可由各种绝缘材料形成。例如，可使用氧化物材料、聚合物、或其混合物。所述氧化物材料可为，例如，MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。第一电极120和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米压电发电机，包括：第一电极和第二电极；在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层。

【技术特征摘要】
2012.02.23 KR 10-2012-00186551.纳米压电发电机，包括：第一电极和第二电极；在所述第一和第二电极之间的至少一个由纳米结构体形式的半导体压电材料形成的纳米压电单元；和在所述第一电极和所述至少一个纳米压电单元之间的由绝缘材料形成的中间层，其中所述中间层包括氧化物。2.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述中间层包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。3.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述第一电极由金属材料、导电氧化物、或导电聚合物形成。4.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述纳米压电单元包括ZnO或GaN。5.权利要求1的纳米压电发电机，其中所述纳米压电单元包括：含有预定的第一载流子的纳米结构体；和用于调节所述第一载流子的浓度的浓度调节单元。6.权利要求5的纳米压电发电机，其中所述浓度调节单元包括掺杂在所述纳米结构体中并且具有与所述第一载流子的极性相反的极性的第二载流子。7.权利要求6的纳米压电发电机，其中所述纳米结构体由ZnO半导体纳米线形成，和所述第二载流子是p型杂质。8.权利要求7的纳米压电发电机，其中所述p型杂质是Li。9.权利要求5的纳米压电发电机，其中所述浓度调节单元包括附着到所述纳米结构体的表面并且具有与所述第一载流子的极性相同的极性的官能团。10.权利要求9的纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙祯忍，车承南，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：