Zinkoxidmaterialer tappet til bittesmå energiindsamlingsanordninger

I dag, vi er omgivet af en række elektroniske enheder, der bevæger sig stadig tættere på os - vi kan vedhæfte og bære dem, eller endda implantatelektronik inde i vores kroppe.

Mange typer af smarte enheder er let tilgængelige og praktiske at bruge. Målet er nu at gøre bærbar elektronik, der er fleksibel, bæredygtig og drevet af vedvarende energi fra omgivelserne.

Dette sidste mål inspirerede en gruppe af Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) forskere til at undersøge, hvordan de attraktive fysiske træk ved zinkoxid (ZnO) materialer mere effektivt kan bruges til at udnytte rigelige mekaniske energikilder til at drive mikroenheder. De opdagede, at indsættelse af aluminiumnitridisoleringslag i ZnO-baserede energihøstningsanordninger førte til en betydelig forbedring af enhedernes ydeevne. Forskerne rapporterer deres fund i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"Mekanisk energi findes overalt, hele tiden, og i en række forskellige former - herunder bevægelse, lyd og vibrationer. Omdannelsen fra mekanisk energi til elektrisk energi er en pålidelig tilgang til at skaffe elektricitet til at drive bæredygtige, trådløse og fleksible enheder - uden miljøbegrænsninger, "forklarede Giwan Yoon, en professor i Institut for Elektroteknik ved KAIST.

Piezoelektriske materialer såsom ZnO, samt flere andre, har evnen til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi, og omvendt. "ZnO nanostrukturer er særligt velegnede som nanogenerator funktionelle elementer, takket være deres mange dyder, herunder gennemsigtighed, blyfri biokompatibilitet, nanostrukturel formbarhed, kemisk stabilitet, og koblede piezoelektriske og halvlederegenskaber, "bemærkede Yoon.

Nøglebegrebet bag gruppens arbejde? Fleksible ZnO-baserede mikroenergioptagere, aka "nanogeneratorer, "kan i det væsentlige bestå af piezoelektriske ZnO -nanorod- eller nanotrådarrays, der er klemt mellem to elektroder, der er dannet på de fleksible substrater. Kort fortalt, de involverede arbejdsmekanismer kan forklares som en forbigående strøm af elektroner drevet af det piezoelektriske potentiale.

"Når fleksible enheder let kan deformeres mekanisk af forskellige eksterne excitationer, anstrengte ZnO -nanoroder eller nanotråde har en tendens til at generere polariserede ladninger, hvilken, på tur, generere piezoelektroniske felter, "sagde Yoon." Dette tillader ladninger at akkumulere på elektroder, og det genererer en ekstern strømstrøm, hvilket fører til elektroniske signaler. Enten kan vi bruge de elektriske udgangssignaler direkte eller gemme dem i energilagringsenheder. "

Andre forskere har rapporteret, at brugen af ​​isolerende materialer kan være med til at give en ekstremt stor potentiel barriere. "Dette gør det kritisk vigtigt, at isoleringsmaterialer er omhyggeligt udvalgt og designet - under hensyntagen til både materialegenskaberne og enhedens betjeningsmekanisme, "sagde Eunju Lee, en postdoktor i Yoons gruppe.

Til dato, imidlertid, der har været få bestræbelser på at udvikle nye isoleringsmaterialer og vurdere deres anvendelighed på nanogeneratorer eller bestemme deres virkninger på enhedens outputydelse.

KAIST -forskerne foreslog, for første gang, nye piezoelektriske ZnO/aluminiumnitrid (AlN) stablet lag til brug i nanogeneratorer.

"Vi opdagede, at indsættelse af AlN -isolerende lag i ZnO -baserede høstudstyr førte til en betydelig forbedring af deres ydeevne - uanset lagtykkelse og/eller lagposition i enhederne, "sagde Lee." Også, udgangsspændingsydelsen og polariteten synes at afhænge af den relative position og tykkelse af de stablede ZnO- og AlN -lag, men dette skal undersøges nærmere. "

Gruppens resultater forventes at give en effektiv tilgang til realisering af meget energieffektive ZnO-baserede mikroenergi-høstningsanordninger. "Dette er især nyttigt for selvdrevne elektroniske systemer, der kræver både allestedsnærværende og bæredygtighed - bærbare kommunikationsenheder, sundhedsovervågningsenheder, miljøovervågningsudstyr og implanterbart medicinsk udstyr, "påpegede Yoon. Og der er potentielt mange andre applikationer.

Næste op, Yoon og kolleger planlægger at forfølge en mere dybtgående undersøgelse for at få en meget mere præcis og omfattende forståelse af enhedsdriftsmekanismer. "Vi vil også undersøge de optimale enhedskonfigurationer og dimensioner baseret på analyse af arbejdsmekanismen, " han tilføjede.