我们生活的环境中充满了各种各样的能量,例如振动能、形变能、肌肉活动能、化学能、生物能、微风能、太阳能、热能等。如果利用纳米技术可以把这些无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件,就可以制造出自驱动的微纳系统。为了解决这个纳米技术中的瓶颈问题,2006年王中林小组成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能,研制出世界上最小的发电机———纳米发电机,并提出自驱动纳米技术的新思想。之后,世界上掀起了能量收集技术研究的热潮。过去的七年间,作者研究组在这一研究领域系统发表了一系列相关论文。为了给出一个关于纳米发电机发展的全面并且连贯的回顾与阐释,作者编写了这部专著,本书涵盖了这方面的基本理论、机理研究、工程放大以及纳米发电机的潜在应用。
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《纳米科学与技术》丛书序
中文版序
第1章 绪论 1
1.1 纳米器件的电源 1
1.2 白驱动传感器网络和系统 2
1.3 机械能的收集 5
1.4 纳米发电机 6
参考文献 7
第2章 纳米发电机的基础材料 8
2.1 氧化锌的晶体结构 8
2.2 气固固法生长纳米线／纳米带 10
2.3 气液固方法生长纳米线阵列 11
2.4 脉冲激光沉积法制备纳米线阵列 13
2.5 化学法生长纳米线阵列 14
2.5.1 基本方法 14
2.5.2 垂直曲线纳米线阵列的图案化生长 18
2.5.3 柔性基底上氧化锌纳米线的生长 19
2.5.4 超细纤维上生长氧化锌纳米线阵列 20
2.5.5 水平一致取向纳米线阵列的图案化生长 21
2.6 激光图案化法生长晶网级规模的纳米线阵列 22
2.7 织构化氧化锌薄膜 24
参考文献 25
第3章 压电和压电势 27
3.1 控制方程 27
3.2 前三阶微扰理论 28
3.3 垂直纳米线的解析解 30
3.4 横向弯曲纳米线的压电势 32
3.5 横向弯曲纳米线的压电势洌量 33
3.6 轴向应变纳米线的压电势 34
3.7 掺杂半导体纳米线的平衡电势 38
3.7.1 理论框架 38
3.7.2 考虑掺杂情况下压电势的计算 39
3.7.3 掺杂浓度的影响 43
3.7.4 载流子类型的影响 47
参考文献 48
第4章 纳米发电机的工作原理 49
4.1 垂直一致取向纳米线构成的纳米发电机 49
4.1.1 压电纳米发电机的概念 49
4.1.2 电极纳米线界面处的肖特基势垒 50
4.1.3 电荷的产生和输出过程 52
4.1.4 n型材料纳米发电机的原理 55
4.2 p型材料纳米发电机 57
4.2.1输出信号的性质 57
4.2.2 p型和n型纳米线的检验标准 59
4.3 基于其他纤锌矿结构纳米线的纳米发电机 61
4.4 基于横向固定纳米线的纳米发电机 62
4.4.1 基本设计 63
4.4.2 输出测量 63
4.4.3 纳米发电机的原理 68
4.4.4 线性连接 70
4.4.5 能量转换效率 70
4.4.6 收集生物机械能 72
参考文献 75
第5章 纳米发电机输出信号的表征 76
5.1 输出电流 76
5.2 输出电压 78
5.3 总结 80
参孝文献 80
第6章 基于垂直纳米线阵列的高输出纳米发电机 81
6.1 超声驱动纳米发电机 81
6.1.1 为何采用锯齿形电极？ 81
6.1.2 工作机理 82
6.1.3 纳米发电机在50 kHz超声波作用下的输出 83
6.2 集成的纳米尖纳米线相向排列方法 84
6.2.1 制备方法 84
6.2.2 工作机理 86
6.2.3 提高性能 88
6.3 端部稳固连接的集成化纳米发电机 90
6.3.1 结构设计 91
6.3.2 工作原理 91
6.3.3 增强的输出信号 93
6.3.4 白驱动纳米传感器 94
参考文献 95
第7章 基于横向纳米线阵列的高输出纳米发电机 96
7. 1 横向集成纳米发电机 96
7.1.1 器件制备 97
7.1.2 输出测量 99
7.2 柔性高输出纳米发电机 101
7.2.1 原理和制备 101
7.2.2 输出测量 103
7.2.3 发电量的存储 105
7.3 驱动一个发光二极管 106
参考文献 107
第8章 基于非接触纳米线的高输出纳米发电机 108
8.1 基本设计 108
8.2 工作机理 109
8.3 常规输出 112
8.4 利用纳米发电机来驱动传统电子器件 113
8.5 小结 116
参考文献 116
第9章 基于纤维的纳米发电机 117
9.1 微纤维纳米线复合结构 117
9.1.1 结构制备 117
9.1.2 纤维纳米发电机的制备 119
9.1.3 工作机理 121
9.1.4 输出测量 121
9.1.5 性能提高 124
9.1.6 小结 124
9.2 压力驱动的柔性纤维纳米发电机 125
9.2.1 纤维上径向织构氧化锌薄膜的生长 125
9.2.2 纤维纳米发电机的工作原理 127
9.2.3 空气压力驱动的纤维纳米发电机 127
9.2.4 呼吸驱动的纳米发电机／传感器 129
9.2.5 作为压力传感器的手腕脉搏驱动纳米发电机 129
9.2.6 小结 131
参考文献 132
第10章 收集多种类型能量的复合电池 133
10.1 收集太阳能和机械能的复合电池 133
10.1.1 结构设计 134
10.1.2 工作机理 135
10.1.3 输出表征 136
10.2 同时收集生物机械能和生物化学能的复合电池 139
10.2.1 基于PVDF纳米发电机 140
10.2.2 利用生物燃料电池来收集生物化学能 142
10.2.3 复合型生物化学和生物机械纳米发电机 143
10.2.4 利用复合型电池来驱动一个纳米传感器 145
参考文献 146
第11章 自供能传感器与系统 147
11.1 白驱动系统的原理 147
11.2 纳米发电机的设计 149
11.3 使用超级电容器进行电荷存储 151
11.4 白驱动光传感器与系统 152
11.5 白驱动环境传感系统 155
参考文献 157
附录 王中林教授研究组2006~2011年间在纳米发电机和压电电子学领域发表的期刊论文 158
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