CN107170881B - 一种多叠层式纳米压电器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多叠层式纳米压电器件,由至少五层叠层而成矩形结构体，依顺序是氮化镓‑聚苯乙烯基质层Ⅰ、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ、氮掺杂石墨烯层、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ和氮化镓‑聚苯乙烯基质层Ⅱ五层压合；在所述氮化镓‑聚苯乙烯基质层Ⅰ的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅰ，所述氮掺杂石墨烯层的一侧连接有石墨电极，氮化镓‑聚苯乙烯基质层Ⅱ的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅱ。本发明的压电器件具有较高的电流电压，体积小，可串、并联使用且能实现稳定输出，可广泛应用于日常生活中，是一种无源、环保型压电器件。本发明还公开了一种多叠层式纳米压电器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于压电器件技术领域，涉及一种多叠层式纳米压电器件及其制备方法。
背景技术
能源和环境保护是当今社会最为关心的问题，作为可进行机械能和电能互相转换的环保型功能材料，压电材料在高科技工业生产领域正发挥越来越重要的作用。随着科学技术的发展，超大规模集成电路的应用，电子器件小型化、便携化正成为发展趋势，与其配套的尺寸较小的电池及发电机越来越受到人们的重视，组成微米级自发电的纳米压电材料，具有工程安装简单、适用范围广、环保等优点，正在成为研究热点。专利CN201210583562.4一种压电陶瓷-沥青复合压电材料及其制备方法，介绍了一种沥青复合压电材料，按重量份数由20-60份沥青、312-624份压电陶瓷粉和0-10份沥青改性剂制备而成；专利CN201410735030.7一种具有压电增强结构的含铋压电材料及其制备方法，介绍了一种通过将含铋压电材料进行单面还原，含铋压电材料被还原一面的铋元素还原成金属铋，使得含铋压电材料中产生预应力，含铋压电材料由未还原一面向还原一面弯曲，从而形成的弯曲结构或拱形结构的含铋压电材料，其表观d33可达10000pC/N。两者的缺点都是陶瓷压电材料，压力大时易碎。专利CN201410733770.7挠曲电压电材料，介绍了一种挠曲电压电材料，所述挠曲电压电材料由单面还原或双面还原的铁电材料形成，其中所述铁电材料具有向还原面或向非还原面拱起的结构，可以在材料中形成化学组分的不均匀和拱形或弯曲结构，而且还原的铁电材料具有高的挠曲电系数，从而获得具有很高表观压电性能的挠曲电压电材料。但其表观d33最大只有1000-3500pC/N，且不稳定。该专利的缺点是产生的是脉冲电流，不平稳，表观d33也较小。压电材料还存在下列问题，1、压电材料品种少、大都是陶瓷压电材料，易碎、质量不稳定；2、受到振动频率的影响较大，电能生产效率不高，价格昂贵等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种多叠层式纳米压电器件及其制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案：
一种多叠层式纳米压电器件,由至少五层叠层而成矩形结构体，依顺序是氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2、氮掺杂石墨烯层3、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5五层压合；在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅰ6，所述氮掺杂石墨烯层3的一侧连接有石墨电极7，氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅱ8。
进一步，上述所述的矩形结构体的尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)，其中，所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)，所述的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)，所述的氮掺杂石墨烯层3的尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)。
进一步，上述所述的电极连接分别是，采用低温固相反应法形成氮掺杂石墨烯层3与石墨电极7肖特基接触连接；采用合金高温退火法实现铟锡氧化物电极6、8与所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、Ⅱ5欧姆接触连接。
进一步，上述所述的石墨电极7为普通石墨电极。
为了实现上述目的,本发明采用另一技术方案是：
一种多叠层式纳米压电器件的制备方法,包括：
1、在聚苯乙烯薄膜上采用电化学均聚法将氮化镓沉聚聚苯乙烯上制得氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5，具体步骤是：先用分析天平称量氮化镓，放入到装有磁转子的容器中，倒入浓度为0.1～1.0mol/L的H2SO4缓冲溶液，放在磁力搅拌器上搅拌均匀，将碳玻电极表面涂上一层聚苯乙烯与甘汞电极组成电极***，之后在-0.2V～1.2V电位下，以10～100mV s-1的速率进行50～150圈扫描，剥离碳玻电极表面的涂层，水洗后干燥,经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)的氮化镓-聚苯乙烯基质材料；
2、采用气—液—固催化反应制备n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4，具体步骤是：先在ITO上点种氧化锌纳米粒子，采用金纳米颗粒作为催化剂，在浓度为0.1～1.0mol/L的氧化锌溶液中催化并引导氧化锌纳米线阵列生长，调节催化剂浓度为0.001～0.003mol/L，水热反应时间为4h～8h，温度为75～90℃，控制和调节氧化锌纳米线阵列的形貌和构型；然后将获得的氧化锌纳米线阵列洗涤、烘干处理后，浸泡在浓度为0.001～0.005mol/L的硝酸银乙醇溶液中，通过控制硝酸银的光曝时间为30s～2mmin，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料；
3、氮掺杂石墨烯层(3)的制备，具体步骤是：按质量比，将苦味酸：氧化石墨烯：尿素＝1：(3-8)：(3-20)混合均匀后，装入***反应釜，缓慢升温至320～420℃引发***，***发生后维持温度为330～400℃，温度维持时间为0.5～2h，冷却反应釜至室温，缓慢释放气体后收集固体产物，依次采用蒸馏水和乙醇洗涤多次后烘干，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)的氮掺杂石墨烯材料；
4、铟锡氧化物电极的制备，具体过程是：在10-2Pa～10Pa的真空条件下，将金属铟采用辉光放电以获得动能，外加电压为220～380V，电流为10～20A,通过溅射方式轰击氧化锡靶材料表面，形成溅射镀膜得到铟锡氧化物电极；
5、将制得的氮化镓-聚苯乙烯基质材料，n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料依顺序按照氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2、氮掺杂石墨烯层3、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5叠层，在常温常压下压合；并在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)的一侧分别连接铟锡氧化物电极6和8(采用合金高温退火法进行欧姆接触)，在所述氮掺杂石墨烯层(3)的一侧与石墨电极(7)连接(采用低温固相反应法形成肖特基接触)，制得尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)的五层叠层式纳米压电器件。
进一步，上述所述氧化锌纳米粒子的粒径为20～60nm。
与现技术相比，本发明的优点和有益效果主要有：
1、本发明制得的纳米压电器件，有较好的压电性能，由脉冲电流转变成稳定输出电流，其稳定输出电压可达1.52V/cm2，电流11μA，纵向机电耦合系数K33达0.88，压电系数d33达12270pc/N。
2、本发明制得的纳米压电器件，是由纳米材料组成，其中，银掺杂的氧化锌纳米线阵列压电材料有着较好的电性能和较强的力学性能，氮掺杂石墨烯层有较强的力学性能，同时纳米线的类型(n型或者p型)和掺杂比例直接影响到势垒高度，金属与半导体的接触方式(肖特基接触/欧姆接触)影响到压电材料的电流-电压特性曲线和势垒高度，而势垒高度的改变能影响输出的电压和电流强度，氮掺杂石墨烯层具有良好的半导体特性和储电性能，能有效地改善电流稳定输出状况。本发明制得的纳米压电器件，机械强度大，不易碎，结构牢固。
3、本发明的纳米压电器件，生产工艺简单，成本低，体积小，可组建纳米压电发电机，并且并联和串联可组建规模较大的压电发电机，产生较大的压电电量。可广泛应用于日常生活和野外作业中，是一种无源、环保型供电材料，在军事、航天航空、船舶等领域有广泛应用。
附图说明
图1为本发明的多叠层式纳米压电器件构造示意图；
图中：1.为氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ；2.为n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ；3.为氮掺杂石墨烯层；4.为n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ；5.为氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ；6.为铟锡氧化物电极Ⅰ；7.为石墨电极；8.为铟锡氧化物电极Ⅱ。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，为本发明的一种多叠层式纳米压电器件,由五层叠层而成矩形结构体，依顺序是氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2、氮掺杂石墨烯层3、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5五层压合；在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅰ6，所述氮掺杂石墨烯层3的一侧连接有石墨电极7，氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅱ8。
其中，所述的矩形结构体的尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)，其中，所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)，所述的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)，所述的氮掺杂石墨烯层3的尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)。
所述的电极连接分别是，采用低温固相反应法形成氮掺杂石墨烯层3与石墨电极7肖特基接触；采用合金高温退火法实现铟锡氧化物电极6、8与所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、Ⅱ5欧姆接触。
上述所述的石墨电极7为普通石墨电极。
本发明的一种多叠层式纳米压电器件的制备方法,具体包括：
1、在聚苯乙烯薄膜上采用电化学均聚法将氮化镓沉聚聚苯乙烯上制得氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5，具体步骤是：先用分析天平称量氮化镓，放入到装有磁转子的容器中，倒入浓度为0.1～1.0mol/L的H2SO4缓冲溶液，放在磁力搅拌器上搅拌均匀，将碳玻电极表面涂上一层聚苯乙烯与甘汞电极组成电极***，之后在-0.2V～1.2V电位下，以10～100mV s-1的速率进行50～150圈扫描，剥离碳玻电极表面的涂层，水洗后干燥,经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)的氮化镓-聚苯乙烯基质材料；
2、采用气—液—固催化反应制备n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4的制备，具体步骤是：先在导电玻璃(ITO)上点种粒径为20～60nm的氧化锌纳米粒子，采用金纳米颗粒作为催化剂，在浓度为0.1～1.0mol/L的氧化锌溶液中催化并引导氧化锌纳米线阵列生长，调节催化剂浓度为0.001～0.003mol/L，水热反应时间为4h～8h，温度为75～90℃，控制和调节氧化锌纳米线阵列的形貌和构型；然后将获得的氧化锌纳米线阵列洗涤、烘干处理后，浸泡在浓度为0.001～0.005mol/L的硝酸银乙醇溶液中，通过控制硝酸银的光曝时间为30s～2mmin，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料；
3、氮掺杂石墨烯层(3)的制备，具体步骤是：按质量比，将苦味酸：氧化石墨烯：尿素＝1：(3-8)：(3-20)混合均匀后，装入***反应釜，缓慢升温至320～420℃引发***，***发生后维持温度为330～400℃，温度维持时间为0.5～2h，冷却反应釜至室温，缓慢释放气体后收集固体产物，依次采用蒸馏水和乙醇洗涤多次后烘干，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)的氮掺杂石墨烯材料；
4、铟锡氧化物电极的制备，具体过程是：在10-2Pa～10Pa的真空条件下，将金属铟采用辉光放电以获得动能，外加电压为220～380V，电流为10～20A,通过溅射方式轰击氧化锡靶材料表面，形成溅射镀膜得到铟锡氧化物电极；
5、将制得的氮化镓-聚苯乙烯基质材料，n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料依顺序按照氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ1、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ2、氮掺杂石墨烯层3、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ4和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ5叠层，在常温常压下压合；并在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)的一侧分别连接铟锡氧化物电极6和8(采用合金高温退火法进行欧姆接触)，在所述氮掺杂石墨烯层(3)的一侧与石墨电极(7)连接(采用低温固相反应法形成肖特基接触)，制得尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)的五层叠层式纳米压电器件。
按照以上制备方法，所进行的6个实施例所制得的样品，经压电性能测试，其测试结果是：电压为1.32～1.52V/cm2，电流为9～11μA，功率为7～9μW，频率为为12～15HZ，纵向机电耦合系数K33为0.83～0.88,压电系数d33为12030压电系数为12030～12270pc/N。
Claims (7)
1.一种多叠层式纳米压电器件,其特征在于，由至少五层叠层而成矩形结构体，依顺序是氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ(2)、氮掺杂石墨烯层(3)、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ(4)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)五层压合；在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅰ(6)，所述氮掺杂石墨烯层(3)的一侧连接有石墨电极(7)，氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)的一侧连接有铟锡氧化物电极Ⅱ(8)。
2.根据权利要求1所述的多叠层式纳米压电器件,其特征在于，所述的矩形结构体的尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)，其中，所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)，所述的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ(2)和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ(4)的尺寸分别为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)，所述的氮掺杂石墨烯层(3)的尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)。
3.根据权利要求1所述的多叠层式纳米压电器件,其特征在于，所述的电极连接分别是，采用低温固相反应法形成氮掺杂石墨烯层(3)与石墨电极(7)肖特基接触；采用合金高温退火法实现铟锡氧化物电极(6、8)与所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ、Ⅱ(1、5)基质欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的多叠层式纳米压电器件,其特征在于，所述的石墨电极(7)为普通石墨电极。
5.一种根据权利要求1所述的多叠层式纳米压电器件的制备方法,其特征在于，包括：
(1)在聚苯乙烯薄膜上采用电化学均聚法将氮化镓沉聚聚苯乙烯上制得氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)，具体步骤是：先用分析天平称量氮化镓，放入到装有磁转子的容器中，倒入浓度为0.1～1.0mol/L的H2SO4缓冲溶液，放在磁力搅拌器上搅拌均匀，将碳玻电极表面涂上一层聚苯乙烯与甘汞电极组成电极***，之后在-0.2V～1.2V电位下，以10～100mV s-1的速率进行50～150圈扫描，剥离碳玻电极表面的涂层，水洗后干燥,经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.1～0.5cm)的氮化镓-聚苯乙烯基质材料；
(2)采用气—液—固催化反应制备n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ(2)和n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ(4)的制备，具体步骤是：先在ITO上点种氧化锌纳米粒子，采用金纳米颗粒作为催化剂，在浓度为0.1～1.0mol/L的氧化锌溶液中催化并引导氧化锌纳米线阵列生长，调节催化剂浓度为0.001～0.003mol/L，水热反应时间为4h～8h，温度为75～90℃，控制和调节氧化锌纳米线阵列的形貌和构型；然后将获得的氧化锌纳米线阵列洗涤、烘干处理后，浸泡在浓度为0.001～0.005mol/L的硝酸银乙醇溶液中，通过控制硝酸银的光曝时间为0.5～2min，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.001～0.1cm)的n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料；
(3)氮掺杂石墨烯层(3)的制备，具体步骤是：按质量比，将苦味酸：氧化石墨烯：尿素＝1：(3-8)：(3-20)混合均匀后，装入***反应釜，缓慢升温至320～420℃引发***，***发生后维持温度为330～400℃，温度维持时间为0.5～2h，冷却反应釜至室温，缓慢释放气体后收集固体产物，依次采用蒸馏水和乙醇洗涤多次后烘干，经裁剪工艺制得尺寸为长X宽X厚＝(0.1～1.0cm)X(0.1～1.0cm)X(0.00001～0.001cm)的氮掺杂石墨烯材料；
(4)铟锡氧化物电极的制备，具体过程是：在10-2Pa～10Pa的真空条件下，将金属铟采用辉光放电以获得动能，外加电压为220～380V，电流为10～20A，通过溅射方式轰击氧化锡靶材料表面，形成溅射镀膜得到铟锡氧化物电极；
(5)将制得的氮化镓-聚苯乙烯基质材料，n型银掺杂氧化锌纳米线阵列压电材料依顺序按照氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅰ(2)、氮掺杂石墨烯层(3)、n型银掺杂氧化锌纳米线阵列层Ⅱ(4)和氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)叠层，在常温常压下压合；并在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅰ(1)一侧连接铟锡氧化物电极(6),在所述氮化镓-聚苯乙烯基质层Ⅱ(5)的一侧连接铟锡氧化物电极(8)，在所述氮掺杂石墨烯层(3)的一侧连接石墨电极(7)，制得尺寸为长X宽X厚＝(1～5cm)X(1～5cm)X(0.1～1.0cm)的五层叠层式纳米压电器件。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于，所述氧化锌纳米粒子的粒径为20～60nm。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于，所述氮掺杂石墨烯层(3)和石墨电极(7)的连接是采用低温固相反应法形成肖特基接触。
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