張光杰

現(xiàn)代生活不斷向智能化發(fā)展，作為人類社會(huì)信息化發(fā)展的最新成果，智能家居、無(wú)人駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)等一大批新科技相繼涌現(xiàn)。這些技術(shù)使互聯(lián)網(wǎng)不再局限于在電腦、手機(jī)等傳統(tǒng)智能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其應(yīng)用對(duì)象可以延伸到任何物與物之間，逐漸形成覆蓋整個(gè)人類生活的物聯(lián)網(wǎng)。如此龐大物聯(lián)網(wǎng)的形成，無(wú)疑需要密集的電子器件來(lái)完成信息傳感、傳輸、處理等工作，而如何對(duì)這些電子器件持續(xù)穩(wěn)定供電是必須解決的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的線路供電在解決這個(gè)問(wèn)題上存在很大障礙，因?yàn)樽匀粻顟B(tài)下的物與物之間不存在可見(jiàn)的線路連接，因此為這些物體上的電子器件逐個(gè)進(jìn)行線路供電是不切實(shí)際的。另一種方法是電池供電，通過(guò)為各個(gè)電子器件配備儲(chǔ)電裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的獨(dú)立工作。

然而，電池供電的不足也非常明顯，即電池會(huì)耗盡，在電子器件分布密集化、遠(yuǎn)程化甚至植入化的情況下，對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行充電將是非常繁復(fù)的工作；其次，電子器件正向微型化、輕量化的方向發(fā)展，而電池要想盡可能延長(zhǎng)電量壽命，就不可避免地增大其結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量，這和整個(gè)系統(tǒng)的微型化、輕量化要求是背道而馳的。因此，尋找更為合適的供電途徑極為關(guān)鍵。

一、壓電納米發(fā)電機(jī)與自驅(qū)動(dòng)電子器件概述

2006年，佐治亞理工學(xué)院的王中林教授首次提出了基于氧化鋅（ZnO）納米材料的壓電納米發(fā)電機(jī)[1]。這種納米發(fā)電機(jī)利用單晶ZnO納米線，其原理如圖1所示。當(dāng)納米線受到外界微弱的機(jī)械作用而發(fā)生形變時(shí)，由于ZnO具有壓電性質(zhì)，在納米線的上下兩端會(huì)產(chǎn)生壓電電勢(shì)，進(jìn)而通過(guò)外電路產(chǎn)生脈沖電流輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。之后，各種利用納米壓電材料實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的納米發(fā)電機(jī)開(kāi)始被大量研究，除了ZnO、氮化鎵（GaN）等半導(dǎo)體壓電材料，還有納米結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷如鋯鈦酸鉛（PZT）、壓電聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）等，都被相繼用來(lái)構(gòu)建納米發(fā)電機(jī)，器件輸出性能從最初的毫伏電壓提高到了百伏電壓，完全可以直接驅(qū)動(dòng)小型電子設(shè)備。壓電納米發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的不同之處在于，它們可以將環(huán)境中微弱無(wú)規(guī)律的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。環(huán)境中所蘊(yùn)含的機(jī)械能的能量密度可達(dá)到1～10mW/cm2，僅次于能量密度最高的太陽(yáng)能（10～100mW/cm2）。這些機(jī)械能的最大特點(diǎn)是分布廣泛，利用壓電納米發(fā)電機(jī)將這些無(wú)處不在的機(jī)械能收集起來(lái)，恰好可以與未來(lái)無(wú)處不在的電子器件相匹配。雖然納米發(fā)電機(jī)的輸出能量?jī)H在微納級(jí)別，但隨著電子器件的能耗不斷降低，這些微納能量逐漸可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)使電子器件的水平，使電子器件不需要任何外界供電裝置而完全實(shí)現(xiàn)一種自驅(qū)動(dòng)（Self-powered）的工作模式。

可在自驅(qū)動(dòng)工作模式下工作的器件可構(gòu)成自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本文主要介紹壓電納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的最新應(yīng)用。基于壓電納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為2類：一類是壓電納米發(fā)電機(jī)與電子器件相集成所形成的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用壓電納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電子器件的持續(xù)工作，兩者工作互不影響；另一類是電子器件本身即是壓電納米發(fā)電機(jī)，這類器件通常為傳感器件，需要探測(cè)的對(duì)象可驅(qū)動(dòng)器件本身進(jìn)行工作，同時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)即為探測(cè)信號(hào)。

二、壓電納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)電子器件中的應(yīng)用

1.可穿戴/植入能量采集器

人體活動(dòng)包含著大量機(jī)械能，這些能量不僅來(lái)自于人的肢體運(yùn)動(dòng)，還有人體內(nèi)器官運(yùn)動(dòng)的能量，利用納米發(fā)電機(jī)有效收集這部分能量可對(duì)人所配備的便攜設(shè)備以及植入體內(nèi)的器件進(jìn)行持續(xù)供能，實(shí)現(xiàn)器件自驅(qū)動(dòng)工作。

Jeong等[2]將PMN-PT（鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛）顆粒填充到具有高彈性的硅橡膠中，并采用銀（Ag）納米線網(wǎng)絡(luò)作為可拉伸電極，得到了具有高壓電輸出和高延展性的能量采集器。該能量采集器在受到200%的拉伸應(yīng)變后可穩(wěn)定產(chǎn)生4V/500nA的輸出電壓和電流，且電極仍能保持良好導(dǎo)電性。此外，該器件在受到扭曲、折疊和壓皺應(yīng)變時(shí)均可產(chǎn)生壓電輸出，且體現(xiàn)出非常高的耐久性。將該器件貼到衣物上可有效收集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。

在醫(yī)學(xué)方面，為了研究不同部位的功能狀況，有時(shí)需要對(duì)神經(jīng)或肌肉造成刺激；在人體內(nèi)植入功能電子器件可以起到時(shí)刻檢測(cè)病人健康狀況的作用。這些都需要可植入器件來(lái)完成。其中，心臟起搏器是一種典型的可植入器件，有研究人員發(fā)現(xiàn)，利用壓電納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可以起到心臟起搏的作用。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于PMN-PT的柔性能量采集器，在彎曲時(shí)可產(chǎn)生約8V/100μA的輸出電壓和電流，成功展示了利用該器件可直接對(duì)小鼠心臟產(chǎn)生刺激效果[3]。他們還利用類似的器件直接刺激小鼠大腦的運(yùn)動(dòng)皮層[4]，并觀測(cè)到了小鼠爪的運(yùn)動(dòng)。

2.自驅(qū)動(dòng)應(yīng)變傳感器

壓電納米發(fā)電機(jī)涉及機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，其在受到應(yīng)變時(shí)可產(chǎn)生壓電信號(hào)，這種對(duì)機(jī)械擾動(dòng)所產(chǎn)生的精確響應(yīng)可直接用作探測(cè)應(yīng)變的傳感器。Lee等[5]設(shè)計(jì)了一種以ZnO作為壓電層的應(yīng)變傳感器，他們采用了鋁箔作為底電極，并在ZnO陣列層上旋涂了一層聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）以提高器件穩(wěn)定性。這種壓電納米發(fā)電機(jī)厚度僅為16μm，具備良好的柔性，可以與人的皮膚很好的貼合，因此可以在皮膚發(fā)生微弱形變時(shí)進(jìn)行感知。與傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器不同的是，器件輸出信號(hào)完全是由納米發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的，在探測(cè)過(guò)程中不需要外接電源，所以這種應(yīng)變傳感器完全可以做到自驅(qū)動(dòng)工作。

要制造出完全類似于人類皮膚的傳感器件，除了需要減小器件厚度，還需要器件具備較高的可延展性、生物友好性以及可大面積生產(chǎn)。Lee等[6]利用干法摩擦轉(zhuǎn)移的方法將雙軸生長(zhǎng)的ZnO納米棒沿一定取向地轉(zhuǎn)移至柔性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上，獲得了大面積高延展性的復(fù)合薄膜。當(dāng)這種復(fù)合薄膜收到拉伸變形時(shí)，會(huì)在垂直薄膜的方向上產(chǎn)生壓電信號(hào)。將器件貼在手指的關(guān)節(jié)處，隨著手指運(yùn)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生約2V/60nA電信號(hào)，展示了其在手勢(shì)識(shí)別方面的應(yīng)用潛力。

人機(jī)交互界面是人與硬件之間信息交流的橋梁。近年來(lái)，可穿戴式人機(jī)交互界面在個(gè)人移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。其中，柔性透明的可穿戴人機(jī)交互界面因其佩戴舒適性和美觀性，成為大量研究關(guān)注的焦點(diǎn)。Lim等[7]報(bào)道了一種基于聚乳酸壓電材料、碳納米管和石墨烯復(fù)合異質(zhì)層結(jié)構(gòu)的人機(jī)交互界面原型器件。這種器件具備超薄且質(zhì)輕的特性，并且是可延展且透明的，安裝在人手臂上可以準(zhǔn)確采集到動(dòng)作信息。

3.自驅(qū)動(dòng)化學(xué)傳感器

利用壓電納米發(fā)電機(jī)在輸出性能上對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)敏感的特性，可設(shè)計(jì)基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)化學(xué)傳感器。Zang等[8]構(gòu)建了ZnO/氧化銦（In2O3）核殼結(jié)構(gòu)壓電納米發(fā)電機(jī)，ZnO和In2O3之間形成的異質(zhì)結(jié)對(duì)ZnO的壓電輸出有明顯的調(diào)制作用。當(dāng)外層In2O3暴露在硫化氫（H2S）氣體中時(shí)，會(huì)發(fā)生In2O3到硫化銦（In2S3）的轉(zhuǎn)變，這將直接導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)的變化，進(jìn)而造成壓電納米發(fā)電機(jī)受到應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的壓電輸出的變化。H2S濃度越大，轉(zhuǎn)變所帶來(lái)的發(fā)電機(jī)輸出變化也越大，這便起到了檢測(cè)H2S這種有毒氣體濃度的作用。

ZnO材料中固有的氧空位缺陷會(huì)增加其內(nèi)部電子濃度，對(duì)壓電電勢(shì)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。ZnO對(duì)水分子的吸附會(huì)引起該屏蔽效應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響納米發(fā)電機(jī)的壓電輸出。利用該效應(yīng)，可設(shè)計(jì)出基于壓電納米發(fā)電機(jī)的濕度傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)ZnO進(jìn)行鎘（Cd）、鋁（Al）、鈷（Co）元素的摻雜[9-11]，可顯著增加其表面有效吸附水分子的點(diǎn)位，這意味著可引入更多的水分子對(duì)屏蔽效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制，因此對(duì)于構(gòu)建提高濕度傳感器的響應(yīng)度具有積極作用。

利用一些貴金屬的催化作用與壓電納米發(fā)電機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一些原本不敏感物質(zhì)的探測(cè)。Lin等[12]通過(guò)在ZnO納米棒表面修飾鈀（Pd）金屬顆粒，實(shí)現(xiàn)了乙醇?xì)怏w的自驅(qū)動(dòng)探測(cè)。由于Pd對(duì)乙醇分子具有催化分解作用，當(dāng)納米發(fā)電機(jī)暴露在乙醇?xì)怏w中時(shí)，吸附在ZnO/Pd表面的乙醇分子發(fā)生分解而產(chǎn)生的電子注入到ZnO內(nèi)部，從而增大了屏蔽效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)納米發(fā)電機(jī)輸出產(chǎn)生影響，起到了探測(cè)乙醇?xì)怏w的作用。

對(duì)ZnO壓電納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行某些抗體的修飾，可以構(gòu)建相應(yīng)的生物傳感器。Zhao等[13]將免疫球蛋白G抗體通過(guò)金納米顆粒銜接到ZnO納米棒的表面，并用來(lái)探測(cè)溶液中的免疫球蛋白G濃度，發(fā)現(xiàn)ZnO在應(yīng)變下產(chǎn)生的壓電輸出明顯受到免疫球蛋白G濃度的影響。這是由于免疫球蛋白G中的正電長(zhǎng)鏈基團(tuán)在于ZnO表面的受體結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生的門(mén)極電壓會(huì)排斥一部分電子進(jìn)入ZnO，從而增大ZnO內(nèi)部電子濃度。這使得ZnO在應(yīng)變下產(chǎn)生的壓電電勢(shì)受到屏蔽效應(yīng)的影響更趨明顯，造成了納米發(fā)電機(jī)輸出的變化。

4.自充電電池

壓電納米發(fā)電機(jī)輸出的電能為脈沖形式，這在多數(shù)情況下并不能直接對(duì)電子器件進(jìn)行供電，因此需要先將收集的能量存入儲(chǔ)電器件中，即電池可直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電池的自充電。這種自充電電池在對(duì)電池的充電提出了全新技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，可大大拓寬自驅(qū)動(dòng)工作模式的應(yīng)用范圍，特別是可實(shí)現(xiàn)功率較大的電子器件的自驅(qū)動(dòng)。研究人員通過(guò)將壓電薄膜與鋰電池進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)了一種具備自充電功能的電池[14]。這種電池可以在受到循環(huán)外力時(shí)不斷進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)存在電池中的電能。他們采用了鋰電池結(jié)構(gòu)中常用的多孔PVDF材料作為隔膜，但不同的是PVDF薄膜已經(jīng)被極化，在受到應(yīng)力時(shí)可產(chǎn)生垂直薄膜方向的壓電電勢(shì)。其原理是，將此PVDF薄膜放置到鋰電池的陽(yáng)極和陰極之間并緊密貼合，當(dāng)受到壓縮應(yīng)力時(shí)，薄膜產(chǎn)生的壓電電勢(shì)可驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)的Li+向陽(yáng)極遷移并與陽(yáng)極材料結(jié)合，這時(shí)由于離子平衡狀態(tài)打破，陰極中的鈷酸鋰（LiCoO2）發(fā)生分解，釋放部分Li+進(jìn)入電解質(zhì)中；應(yīng)力撤銷后，部分Li+會(huì)發(fā)生回流，然而并不影響這個(gè)循環(huán)中的充電效果。用過(guò)循環(huán)地給電池施加應(yīng)力，可以不斷對(duì)電池進(jìn)行充電。值得注意的是，這種直接集成的自充電電池的充電效率要高于將納米發(fā)電機(jī)與電池并聯(lián)的充電方法，原因是省去了整流、傳輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)的能量損耗。

5.復(fù)合能量收集系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)無(wú)刻都能最大限度地收集環(huán)境中的能量，就需要尋求新的技術(shù)以同時(shí)采集環(huán)境中可能出現(xiàn)的機(jī)械能、太陽(yáng)能、熱能等各種能量。將可收集機(jī)械能的壓電納米發(fā)電機(jī)和其他能量采集器件如太陽(yáng)能電池、熱釋電器件進(jìn)行集成，可形成能夠收集多種能量的復(fù)合能量收集系統(tǒng)。

ZnO是一種同時(shí)具備壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的材料，利用這一獨(dú)特性質(zhì)，可設(shè)計(jì)同時(shí)采集機(jī)械能和熱能的能量采集器件。Kumar等[15]在紙內(nèi)部的纖維上生長(zhǎng)了密集的ZnO納米線，然后直接在其上下表面制作了電極。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)該器件進(jìn)行循環(huán)加熱-冷卻時(shí)，可產(chǎn)生80mV/1.25μA的輸出電壓和電流，此為ZnO的熱釋電效應(yīng)所帶來(lái)的。同時(shí)，將該器件至于超聲波中時(shí)，可產(chǎn)生350nA的輸出電流，這是由ZnO的壓電效應(yīng)帶來(lái)的。因此，該器件實(shí)現(xiàn)了同時(shí)收集環(huán)境中的熱能和機(jī)械能。

Choi等[16]設(shè)計(jì)了一種將ZnO壓電納米發(fā)電機(jī)與有機(jī)太陽(yáng)能電池相集成的器件。這種器件既可實(shí)現(xiàn)壓電納米發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池分別發(fā)電，也可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因此可對(duì)環(huán)境中的太陽(yáng)能和機(jī)械能同時(shí)采集。Yang等[17]設(shè)計(jì)了一種將壓電納米發(fā)電機(jī)、熱釋電納米發(fā)電機(jī)以及太陽(yáng)能電池集成的器件，可同時(shí)或分別收集環(huán)境中機(jī)械能、熱能和太陽(yáng)能。其中的壓電納米發(fā)電機(jī)單獨(dú)工作可產(chǎn)生0.5V/20nA的輸出，熱釋電納米發(fā)電機(jī)工作時(shí)可產(chǎn)生3.2V/31nA的輸出，太陽(yáng)能電池可產(chǎn)生0.41Vcm/31μA的輸出。

三、展望

壓電納米發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展，通過(guò)材料的優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，在性能改進(jìn)方面有了很大發(fā)展，在能量收集、信息傳感、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)方面都展示出較大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，但是仍存在很多問(wèn)題需要深入研究。

1.壓電復(fù)合材料的研究

傳統(tǒng)的壓電材料大部分為無(wú)機(jī)陶瓷材料，其機(jī)械穩(wěn)定性較差，而現(xiàn)有的柔性聚合物壓電材料又有壓電性能低的不足。因此如何設(shè)計(jì)既具有柔性，又具有優(yōu)良?jí)弘娦再|(zhì)的復(fù)合材料，可大大拓寬壓電納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.壓電納米發(fā)電機(jī)匹配電路的設(shè)計(jì)

壓電納米發(fā)電機(jī)輸出的是脈沖信號(hào)，無(wú)論是將此電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)電設(shè)備中還是直接對(duì)電子器件進(jìn)行供電，都需要設(shè)計(jì)相關(guān)電路以使輸出更加穩(wěn)定，并提高其利用效率。

3.微納能源范圍的應(yīng)用

壓電納米發(fā)電機(jī)比宏觀發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)就在于其在微納尺度的能量收集優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)該不斷尋求壓電納米發(fā)電機(jī)在微納范圍內(nèi)的能量采集和自驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。能源技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展期，需要有更加創(chuàng)新的工作促使納米發(fā)電機(jī)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。隨著新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信壓電納米發(fā)電機(jī)及其構(gòu)成的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必將在新的科技浪潮中獲得革命性應(yīng)用。

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