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一维取向纳米ZnO阵列的制备及其在纳米发电机中的应用

张竞  
【摘要】: 一维取向ZnO纳米阵列具有良好的光电和压电性质,ZnO纳米材料生长制备工艺简单、多样。近来,一维取向ZnO纳米阵列在纳米发电机和微纳米系统电源上的研究更是纳米电子学和压电领域的研究热点,世界各国科研人员对它投入了极大的关注。本文采用不同方法,制备了一维取向ZnO纳米阵列,在研究其微结构和生长机理的同时,重点对一维纳米ZnO阵列在机械振动和电磁作用下的压电特性和电流输出机制进行了研究,对其在纳米发电机上的应用进行了探讨。论文主要内容和创新点如下: 1.在不同条件下,分别用水热合成法和化学气相沉积法制备了一维取向ZnO纳米阵列,研究结果证明采用Zn-NH_3·H_2O前躯体的水热合成法生长的一维取向ZnO纳米阵列比其他工艺方法具有更佳的微结构特征和导电特性,该方法重复性好,生长温度低,可直接在Zn片上制备大面积一维取向ZnO纳米阵列。研究结果发现,通过调节反应溶液浓度和反应时间,可获得不同长径比和生长密度的样品。对所制得样品进行了X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法的测试分析,讨论了Zn-NH_3·H_2O水热法生长一维取向纳米ZnO阵列的两步生长机理。 2.利用Zn-NH_3·H_2O水热合成法生长的不同长径比和生长密度的ZnO纳米阵列样品组装了各种压电型纳米发电机模型,对这些纳米电机的输出电流进行了测试和比较,分析发现在外界机械振动激励下,纳米线长度和生长密度的增加都有助于提高纳米发电机的输出电强度和效率,研究结果对ZnO纳米发电机输出电流密度的提高提供了研究基础。 3.在原始纳米发电机模型的基础上,创造性的改进了并在国内首次提出了一种利用高频电磁辐射信号也即交变电磁场驱动的新型ZnO纳米阵列纳米发电机,该纳米电机模型可成功的将电磁辐射能转换为电能。初步分析了其发电机理,探讨了这种发电机模型的输出特性,分析了激励信号源与电机模型间距离、角度对电机输出电流特性的影响。这种以交变电磁信号激励的ZnO纳米发电机,大大拓展了ZnO纳米发电机的适用范围,提高了纳米发电机的输出效率和使用寿命,在微纳电子器件和微纳机电系统中有重要的应用前景。


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