專利名稱：一種納米發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米發(fā)電和電源技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及ー種由ZnO等半導(dǎo)體納米棒、線或帶的陣列和金屬電極接觸后形成肖特基接觸，利用外部金屬連接線形成的對稱振子天線感應(yīng)接收電磁波原理構(gòu)建的納米發(fā)電機。
背景技術(shù)：
目前發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式主要是水力發(fā)電、火力發(fā)電、太陽能發(fā)電、化學(xué)能發(fā)電、核燃料發(fā)電等，這些發(fā)電方式不但會消耗大量的自然資源、造成大量的污染，也會因發(fā)電資源和電流在運輸過程中存在大量損失，増加發(fā)電和用電成本。隨著當(dāng)代微電子、納電子產(chǎn)品 的逐漸普及和小型化，電子產(chǎn)品的尺度和功耗也越來越低，電池的設(shè)計尺度也越來越小。為了解決即將到來的微電子、納電子產(chǎn)品所需的新型長壽命電源問題，世界各國科學(xué)家都在積極開發(fā)各種新型發(fā)電方式并努力研發(fā)各種新型長壽命電源。據(jù)英國《科學(xué)》雜志報道，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授研究組成功地利用ZnO納米半導(dǎo)體材料的壓電特性，在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)換成電能，制成了可將機械振動能、流體振動能等轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機，該發(fā)明為即將到來的納電子時代各種微型系統(tǒng)的電源設(shè)計和制造奠定了重要的研究基礎(chǔ)。中國專利200710097875. 8《交流納米發(fā)電機及升壓方法》也公開了這樣ー種納米發(fā)電機。此種納米發(fā)電機通過系統(tǒng)中納米半導(dǎo)體陣列和對應(yīng)放置的納米金屬針尖陣列產(chǎn)生的相對振動，使納米半導(dǎo)體陣列中的納米棒、線或帶發(fā)生形變，并利用ZnO納米半導(dǎo)體材料的正壓電特性將各種機械振動能轉(zhuǎn)化為電能。但這類納米發(fā)電機的發(fā)明說明書和權(quán)利要求書中只涉及到如何利用ZnO納米半導(dǎo)體材料的壓電特性將自然界中存在的各種機械振動能轉(zhuǎn)化為電能，這些機械能形式僅局限在運動、振動、流體流動等能量形式范疇，同吋，此類納米發(fā)電機運行條件比較苛刻，陣列中的納米棒、線或帶在不均勻機械外力或振動的長時間作用下，也會造成納米半導(dǎo)體棒、線或帶的機械損傷，這必然會大大縮短此類發(fā)電機的工作壽命。信息時代的最顯著特點就是電磁微波輻射形成的能量輻射彌漫空間，各種微納機電系統(tǒng)在工作中不斷地接收、發(fā)射各種頻段的電磁波，其對人體的危害也越來越受到關(guān)注，如何減少、利用電磁微波輻射，化害為利，造福人類也是當(dāng)今科學(xué)家面臨的ー個重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有納米發(fā)電機技術(shù)中存在的運行條件苛刻、電機工作壽命短、エ藝組裝要求高等問題，本發(fā)明提出了ー種運行環(huán)境較寬松、電機持續(xù)壽命較長、エ藝實現(xiàn)相對簡單且可利用空間電磁波的輻射能量進行發(fā)電的納米發(fā)電機。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種納米發(fā)電機包括ー個納米陣列A(I)和金屬電極B (2)、ー個金屬支撐基片A(3)、ー個利用彈簧或其他弾性約束片固定A(I)和金屬電極B (2)的外殼⑷和兩根導(dǎo)線C (5)組成；所述的納米陣列ム(1)由半導(dǎo)體納米線組成，可通過化學(xué)、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上，并與A (3)形成歐姆接觸；電極B(2)由金屬片、金屬納米線陣列組成；所述的納米陣列A(I)和金屬電極B(2)利用彈簧或其他弾性約束片固定在外殼(4)里，所述的兩根導(dǎo)線C(5)分別連接在金屬支撐基片A(3)和金屬電極B(2)上，并與外部用電裝置(6)連接。本發(fā)明所述的金屬電極可由金屬納米線組成，或者就是功函大于半導(dǎo)體材料A的金屬片、金屬納米線(比如Zn、Au、Al等)。本發(fā)明所述的半導(dǎo)體納米線可用半導(dǎo)體納米帶或半導(dǎo)體納米棒代替。本發(fā)明所述的半導(dǎo)體納米線陣列A由ZnO或Ga2O3或SnO2等半導(dǎo)體納米陣列材料制成?？芍苯由L在金屬支撐基片A(3)上，并與A(3)形成歐姆接觸。 本發(fā)明利用電磁感應(yīng)定律，連接金屬電極A和金屬電極B的兩根導(dǎo)線相當(dāng)于接收信號的對稱振子天線，對于固定長度的天線，空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射信號通過對稱振子天線感應(yīng)出交流電流，且對稱振子的電流分布為連續(xù)，振子的終端為電流節(jié)點。本發(fā)明納米發(fā)電機中的半導(dǎo)體納米陣列A與金屬電極B間形成的肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管，具有單向?qū)ǖ恼魈匦?。此檢波ニ極管就可將等效的對稱振子天線中感應(yīng)出的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流輸出，從而達到將空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射信號轉(zhuǎn)換為電能的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明利用ー個具有電極化特性的半導(dǎo)體納米陣列A，并在其上放置一個與之接觸的金屬電極B，通過兩根金屬連接線組成納米發(fā)電機基本単元。在外界微波或其他高頻電磁信號激勵下，通過電磁感應(yīng)，在納米發(fā)電機基本単元中感應(yīng)出交變電流，最后利用半導(dǎo)體納米線陣列A與金屬電極B間形成的肖特基接觸形成的ニ極管的整流特性，將感應(yīng)出的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流輸出，將空間中的各種高頻交變電磁信號能轉(zhuǎn)換為電能輸出。依照半導(dǎo)體與金屬間的接觸理論，當(dāng)金屬材料的功函數(shù)大于N型半導(dǎo)體材料功函數(shù)吋，金屬材料表面和N型ZnO等半導(dǎo)體接觸面間將形成肖特基接觸，可等效為ー個單向?qū)ǖ腜N結(jié)。當(dāng)空間中的各種高頻交變電磁信號通過電磁感應(yīng)在在外接導(dǎo)線上感應(yīng)出交變電流時，這個等效的PN結(jié)就類似ー個檢波ニ極管，可使兩根外接導(dǎo)線上感應(yīng)出的交變電流經(jīng)過半波整流后向外電路輸出，從而可將空間中的各種高頻交變電磁信號和電磁微波輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能形式輸出，產(chǎn)生足夠的電能，以此驅(qū)動或控制外部納米器件或系統(tǒng)等負(fù)載。此外，利用此裝置對交變電磁輻射源信號場的電場E的極化方向、距離、功率大小的敏感特性，還可對交變電磁信號大小和方向進行分析檢測，也可利用該裝置將電能儲存在各種電池中。2、本發(fā)明利用ZnO等N型半導(dǎo)體納米陣列與金屬接觸時形成的肖特基接觸特性及電磁感應(yīng)特性制備出了可將空間中各種高頻電磁微波輻射能轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機。通過控制連接半導(dǎo)體納米線陣列A與金屬電極B間的導(dǎo)線的長度，就可調(diào)制納米發(fā)電機對外界高頻交變電磁信號的最佳感應(yīng)頻率，從而使輸出電流達到最佳。因納米電機是將高頻或甚高頻電磁波信號直接轉(zhuǎn)換為電流，最后通過檢波ニ極管檢波，以直流電流形式向外界輸出。在兩根導(dǎo)線中感應(yīng)出的電流頻率也與高頻或甚高頻電磁波信號相同，通過檢波ニ極管檢波后，其單位時間段內(nèi)的平均電流值也就相對穩(wěn)定。3、本發(fā)明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，加工制作容易，體積小，工作壽命長，其核心部件為ー個半導(dǎo)體納米陣列、ー個金屬片狀電極及兩根連接導(dǎo)線。納米陣列可采用化學(xué)和物理的方法直接生長在導(dǎo)電的金屬基片上。本發(fā)明的納米發(fā)電機可隨意安裝、固定在各種微電子產(chǎn)品如手機、電子表、傳感器和各種微電子系統(tǒng)上，通過電磁感應(yīng)將空間中的交變電磁信號轉(zhuǎn)化成電能，直接進行發(fā)電，產(chǎn)生的電能可以支持各種微納電子產(chǎn)品待機或工作，也可將轉(zhuǎn)化的交變電磁信號輻射能儲備起來，為微電池充電。這種新型發(fā)電機與壓電納米發(fā)電機不同，不必通過機械外力，讓半導(dǎo)體納米線形成較大的機械形變產(chǎn)生電能，只是利用半導(dǎo)體的電極化效應(yīng)及電磁感應(yīng)現(xiàn)象，先在兩根連接導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，并通過金屬片狀電極與半導(dǎo)體接觸面間形成的肖特基結(jié)的整流效應(yīng)，源源不斷的輸出電能，其原理更加簡單，工作壽命和系統(tǒng)可靠性也比王中林研究組的正壓電發(fā)電方案大大提高。例如這種納米發(fā)電機可直接安裝在手機等用電系統(tǒng)上，在手機待機、通話的同時就可接收電磁輻射進行發(fā)電，并存儲于電池中，同時，通過人為改變連接金屬接觸片和納米半導(dǎo)體陣列的兩根導(dǎo)線的長度，即改變振子天線的長度L，如可使L分別等于I入，0.5入，0.4入，0.25入，0.05入等，就可調(diào)制外部電磁信號與納米電機之間的最佳感應(yīng)頻率，使這種納米發(fā)電機對各種交變電磁信號源都有較好的電磁感應(yīng)特性。本發(fā)明在即將到來的微納電子器件和微機電結(jié)構(gòu)時代有重要的應(yīng)用前景。


本發(fā)明共有附圖2張，其中圖I為納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為納米發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖。圖中，I、納米陣列A，2、金屬電極B，3、支撐基片，4、帶彈簧或弾性約束片的外売，5、兩根金屬導(dǎo)線，6、外部用電裝置，7、單根納米線A，8、外界交變電磁場，9、PN結(jié)，10、納米發(fā)電機，11、外界交變電磁場在導(dǎo)線上感應(yīng)電流強度分布。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進ー步地描述。如圖I所示，一種納米發(fā)電機包括兩個端部彼此相互接觸且相對放置的納米陣列Al和金屬電極B2、ー個金屬支撐基片A3、帶彈簧或弾性約束片的外殼4和兩根外接金屬導(dǎo)線5 ;所述的納米陣列Al由半導(dǎo)體納米線組成，可通過化學(xué)、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A3上；所述的金屬電極B2由功函大于納米陣列Al的金屬片或金屬納米陣列組成；所述的納米陣列Al和金屬電極B2利用彈簧或彈性約束片固定在外殼4里，所述的兩根外接金屬導(dǎo)線5為兩根導(dǎo)電的金屬線，可等效為接收外部電磁信號的對稱振子天線，分別固定在金屬支撐基片3和金屬片B2上，并與外部用電裝置6連接。所述的半導(dǎo)體納米線由ZnO或Ga2O3或SnO2等具有電極化特性的半導(dǎo)體納米陣列材料制成。本發(fā)明所述的金屬電極B2可由由功函大于納米陣列Al的金屬片或金屬納米線組成。本發(fā)明所述的半導(dǎo)體納米線可用半導(dǎo)體納米帶或半導(dǎo)體納米棒代替。本發(fā)明所述的金屬導(dǎo)線材料可為鋅、鋁、銅等金屬材料構(gòu)成。本發(fā)明所述的納米陣列Al由半導(dǎo)體納米線組成，可直接生長在金屬支撐基片A3上，并與A3形成歐姆接觸。
圖2所示為采用本發(fā)明的ー個發(fā)電系統(tǒng)，包括交變電磁場8、納米發(fā)電機10、外接線路5、外部用電裝置6。在外界交變電磁場8作用下，連接納米半導(dǎo)體陣列及上端金屬電極B2的兩根金屬導(dǎo)線即可感應(yīng)出交變電流11，電流強度在兩根金屬導(dǎo)線的分布如圖所示。發(fā)電機10下部的單根半導(dǎo)體納米線7與上部金屬電極B2間將形成肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管9，即可將兩根金屬導(dǎo)線感應(yīng)出的交變電流11不斷整流輸出，最終將外界交變電磁輻射能轉(zhuǎn)換為電能輸出到用電裝置6，驅(qū)動外部用電裝置6工作；也可通 過外接線路5 (兩根大小相同的導(dǎo)線相當(dāng)于對稱振子天線)在后端連接ー個測試模塊，利用輸出電流大小對交變電磁場信號的強度和方向性進行檢測；或通過外接線路5連接到儲電裝置模塊，儲存電能以備使用。
權(quán)利要求
1.ー種納米發(fā)電機，其特征在干包括ー個納米陣列A(I)和金屬電極B (2)、ー個金屬支撐基片A(3)、ー個利用彈簧或其他弾性約束片固定A(I)和金屬電極B(2)的外殼(4)和兩根外接導(dǎo)線C(5);所述的納米陣列A(I)由半導(dǎo)體納米線組成，通過化學(xué)、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上；電極B(2)由金屬片、金屬納米線陣列組成；所述的納米陣列A(I)和金屬電極B(2)利用彈簧或其他弾性約束片固定在外殼⑷里，納米陣列A(I)和金屬電極B(2)之間的接觸力可利用彈簧或其他弾性約束片調(diào)節(jié)。所述的外接導(dǎo)線C(5)分別連接在金屬支撐基片A(3)和金屬電極B(2)上，并與外部用電裝置(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機，其特征在干電極B(2)由功函大于半導(dǎo)體納米陣列A(I)的金屬片或者金屬納米線陣列組成。納米陣列A(I)與金屬電極B(2)接觸放置即可。其中鍍金屬膜的納米線陣列，可采用普通的鍍膜エ藝，將Zn、Au、Al等功函大于半導(dǎo)體納米陣列A(I)的金屬直接鍍在納米陣列上即可。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述的半導(dǎo)體納米線可以用半導(dǎo)體納米帶或半導(dǎo)體納米棒代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述的半導(dǎo)體納米線由ZnO或Ga2O3或SnO2等半導(dǎo)體納米陣列材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述的金屬片、金屬納米線陣列為招、金、鉬等能與ZnO或Ga2O3或SnO2等N型半導(dǎo)體納米線形成肖特基接觸特性的金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機，其特征在干所述的納米陣列A(I)由半導(dǎo)體納米線組成，可通過化學(xué)、物理生長エ藝直接生長在金屬支撐基片A (3)上，并與A (3)形成歐姆接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機是利用電磁感應(yīng)原理，連接金屬電極A和金屬電極B的兩根金屬導(dǎo)線C相當(dāng)于ー對對稱振子天線，當(dāng)振子天線的長度一定時，在外界微波電磁信號輻照下就可感應(yīng)出電流，且對稱振子的電流分布為連續(xù)，振子終端應(yīng)為電流節(jié)點。該對稱振子天線可接收感應(yīng)高頻交變電磁信號，并在對稱振子天線中感應(yīng)出交變電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機的半導(dǎo)體納米陣列A與金屬電極B間可形成肖特基接觸，可等效為ー個檢波ニ極管，具有單向?qū)ǖ恼魈匦??？蓪筛饘賹?dǎo)線C感應(yīng)出的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流輸出。
9.納米發(fā)電機中所用的取向半導(dǎo)體納米線陣列A(I)采用價格低廉，方法簡單的水熱合成法制備，該法便于制造，所用生產(chǎn)條件簡單，試劑價格便宜，便于大規(guī)模制造。納米發(fā)電機中所用的金屬片或金屬納米線陣列可直接采用功函大于半導(dǎo)體納米陣列A(I)的普通便宜金屬材料(如Zn、Al等)，可大大降低納米發(fā)電機的制造成本。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用ZnO、Ga2O3或SnO2等半導(dǎo)體納米棒、線或帶的陣列構(gòu)建的新型納米發(fā)電機。系統(tǒng)由一個取向半導(dǎo)體納米陣列A、金屬電極B、連接納米陣列A與金屬電極B的兩根金屬導(dǎo)線C組成。納米陣列A與金屬電極B接觸放置，納米陣列A由半導(dǎo)體納米線組成，電極B由功函大于半導(dǎo)體材料A的金屬片、金屬納米線組成，C由普通金屬導(dǎo)線組成。本發(fā)明利用電磁感應(yīng)原理，系統(tǒng)C的兩根金屬導(dǎo)線形成可感應(yīng)高頻交變電磁信號的對稱振子天線，半導(dǎo)體納米陣列A與金屬電極B間形成肖特基接觸，可等效為一個檢波二極管。當(dāng)空間中的各種微波電磁信號輻照該系統(tǒng)時，系統(tǒng)C的兩根對稱振子天線就可接收空間微波輻射信號，并利用等效檢波二極管的整流特性，將交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流單向輸出。
文檔編號H02J17/00GK102868233SQ20111019649
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者李夢軻, 張競, 王軍艷, 馮秋菊, 耿淵博, 姜春華 申請人:李夢軻, 張競, 王軍艷