CN103391021B - 一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法 - Google Patents
一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，所述方法包括步骤1：从已有纳米摩擦发电机中取出易得电子的摩擦材料层；步骤2：对等离子体设备进行初始化和等离子体稳定，以使等离子体辉光放电；步骤3：调控等离子体设备工艺参数，采用八氟环丁烷作为反应气体，对易得电子的摩擦材料层表面进行化学修饰；步骤4：将化学修饰后的易得电子的摩擦材料层装配回纳米摩擦发电机，即得高性能纳米摩擦发电机。本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，且工艺兼容性优异，不受器件结构、材料等限制，可广泛应用于已有摩擦式纳米发电机，提高其输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦发电领域，特别涉及一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，随着经济、文化、科技和军事等迅猛发展，能源问题业已成为限制人类社会飞速发展的桎梏之一，且随着传统矿石燃料（煤炭、石油、天然气等）的日渐枯竭，这一问题日益严峻亟待解决。因此，国内外研究人员纷纷把目光转向了新型能源，特别是绿色、可持续、无污染的新型能源。这其中，可以为物联网各节点、传感器和执行器供能的新型微纳米发电机备受瞩目。传统纳米发电机从机理角度分析，主要是压电式，即材料在受到外力作用时产生压电电势的特性。自2006年首个氧化锌压电式纳米发电机被提出以来[Zhonglin Wang,et al.Science,vol.312,pp.5771,2006]，种类繁多的压电式纳米发电机被提出来[朱光等，纳米发电机及其制造方法，中国发明专利，申请号:201210116881.4；李梦轲等，一种纳米发电机，中国发明专利，申请号:200910188057.8；王中林等，纳米发电机、纳米发电组件及其自供电***，中国发明专利，申请号:201210142387.5]。经过十多年的发展，压电式纳米发电机技术比较成熟，已经有部分产业应用，但氧化锌纳米线等压电材料通常是采用自下而上（Bottom-Up）的生长法进行加工制备，生长速度缓慢，周期长，均一性差，难以批量化生产；且由于纳米线材料本身的脆弱性，器件抗疲劳能力差，使用寿命周期短；另外，压电式纳米发电机输出不高，通常为几十毫伏至几十伏电压输出。
2012年1月一种基于摩擦生电的新型纳米发电机，被开发出来，利用两种得失电子能力不同的材料相互摩擦感应电荷，电荷分离后外接电路即可形成电能输出[Feng-Ru Fan,et al.Nano Energy,vol.1,pp.328,2012]。其后，相关研究组从器件表面结构优化和材料优化等角度对摩擦式纳米发电机进行了改进[Feng-Ru Fan,et al.Nano Letters,vol.12,pp.3109,2012；Xiao-Sheng Zhang,et al.Nano Letters,vol.13,pp.1168,2013]，输出最高可达上千伏，远远优于传统压电式纳米发电机，且具有替代传统能源的巨大潜力。摩擦式纳米发电机进入国内外研究人员的视野尚不足两年，但其所展示的巨大潜在应用价值已获得广泛关注，业已成为微纳米能源领域的研究热点和前沿，但很多研究工作还处于探索阶段，这种新型纳米发电机离实际应用还有一段距离，在高输出电压的前提下，仍需要进一步提高其能量密度，使其真正可以直接用于实际生产生活。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，采用传统晶圆级微加工设备和方法，利用等离子体淀积工艺，在易于得电子的摩擦材料层表面淀积一层纳米量级厚度的氟碳聚合物，可极大地提高器件性能，在几乎不增加器件体积尺寸的前提下提高其输出电压，因此提高器件输出能量密度，从而实现高性能纳米摩擦发电机。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，该方法包括：
步骤1：从已有纳米摩擦发电机中取出易得电子的摩擦材料层；
步骤2：对等离子体设备进行初始化和等离子体稳定，以使等离子体辉光放电；
步骤3：调控等离子体设备工艺参数，采用八氟环丁烷作为反应气体，对易得电子的摩擦材料层表面进行化学修饰；
步骤4：将化学修饰后的易得电子的摩擦材料层装配回纳米摩擦发电机，即得高性能纳米摩擦发电机。
上述方案中，步骤1中所述易得电子的摩擦材料层为相互摩擦生电过程中，易于富集电子的材料层；
上述方案中，步骤2中所述等离子体设备为能够使充入气体电离并形成等离子体的设备，选自反应离子刻蚀设备（RIE），深反应离子刻蚀设备（DRIE），或等离子体浸没设备等。
上述方案中，步骤3中所述调控等离子体设备工艺参数，包括射频线圈功率600-1500W；腔室压强5-50mTorr；反应气体流量5-100sccm；工艺时间5s-30min等。
上述方案中，步骤3中所述反应气体为八氟环丁烷，分子式为C4F8。
有益效果
1、本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法具有普适性，可以适用于所有已有纳米摩擦发电机，不受原有器件结构或材料限制，因而应用范围非常广泛。
2、本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，对原有器件表面形貌基本没有影响，所生成氟碳聚合物层仅为几十纳米厚，且由于采用等离子体淀积工艺，所以保形性优异，可以最大程度降低对原有结构的损害。
3、本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，在基本不改变器件尺寸厚度的前提下，实现了输出电压的提高，从而实现了能量输出体密度的提高，进而使原有器件性能得到极大地提升。
4、本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，采用已有传统微加工技术和设备，仅通过调控工艺参数，即可实现高性能纳米摩擦发电机，因此工艺兼容性优异，可实现1.5寸-12寸晶圆级别加工，易于集成化加工和大批量生产，且工艺简单，成本低廉，易于产业化。
综上，本发明提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，且工艺兼容性优异，不受器件结构、材料等限制，可广泛应用于已有摩擦式纳米发电机，提高其输出性能。
附图说明
图1为本发明所提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法的工艺步骤流程图；
图2（a）为已有纳米摩擦发电机中易得电子的摩擦材料层（聚二甲基硅氧烷，PDMS）扫描电镜照片；
图2（b）为利用本发明所提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法对图2（a）中易得电子的摩擦材料层进行化学修饰后的扫描电镜照片；
图3（a）为已有纳米摩擦发电机输出电压测试结果图；
图3（b）为利用本发明所提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法对图3（a）中已有纳米摩擦发电机进行化学修饰后的器件输出电压测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。下面结合附图1-图3阐述本发明提供的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法的具体步骤。
参照图1，图1为本发明所提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法的工艺步骤流程图，具体步骤如下：
步骤1：从纳米摩擦发电机中取出易得电子的摩擦材料层；
参照图2（a），已有纳米摩擦发电机摩擦层为金属铝（Al）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），则根据摩擦生电效应中得失电子能力序列表可知，PDMS容易富集电子，即易得电子的摩擦材料层。
步骤2：对等离子体设备进行初始化和等离子体稳定，以使等离子体辉光放电，反应腔室出现淡紫色光晕；
步骤3：调控等离子体设备工艺参数，采用八氟环丁烷作为反应气体，对易得电子的摩擦材料层PDMS表面进行化学修饰，其中具体工艺参数如下：射频线圈功率为825W；压强为12mTorr；反应气体（钝化气体）C4F8流量为50sccm；工艺时间60s；刻蚀气体流量为0sccm，平板功率为0W。
参照图2（b），图2（b）为图2（a）易得电子的摩擦材料层PDMS经步骤3化学修饰后的扫描电镜照片，该PDMS表面已被一层氟碳聚合物均匀覆盖。
步骤4：将化学修饰后的易得电子的摩擦材料层装配回纳米摩擦发电机，即得高性能纳米摩擦发电机。
参照图3，可见利用本发明所提出的一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法对已有纳米摩擦发电机进行化学修饰之后，器件性能明显提升，从原有约125V提高到约260V，输出电压提升一倍多。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，其特征在于：所述方法包括
步骤1：从已有纳米摩擦发电机中取出易得电子的摩擦材料层；
步骤2：对等离子体设备进行初始化和等离子体稳定，以使等离子体辉光放电；
步骤3：调控等离子体设备工艺参数，采用八氟环丁烷作为反应气体，对易得电子的摩擦材料层表面进行化学修饰；
步骤4：将化学修饰后的易得电子的摩擦材料层装配回纳米摩擦发电机，即得高性能纳米摩擦发电机。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1中所述易得电子的摩擦材料层为相互摩擦生电过程中，易于富集电子的材料层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤2中所述等离子体设备为能够使充入气体电离并形成等离子体的设备。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤3中所述调控等离子体设备工艺参数，包括射频线圈功率600-1500W；腔室压强5-50mTorr；反应气体流量5-100sccm；工艺时间5s-30min。
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