PVDF-TrFE薄膜制备的柔性压电纳米发电机.pdfVIP

PVI)F．TrFE薄膜制备的柔性压电纳米发电机 皮朝阳，张敬维，文宸宇，吴东平 (复旦大学，专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433) 随着无线MEMS和NEMS的发展，自供能的器件具有目益凸显的重要性【1-2]。自供 能器件可以将环境中的能源如热能、太阳能、机械能等转化为电能。其中，压电纳米发电机 在自供能中具有较好的前景，可以驱动LCD，点亮LED，并进一步为手机等便携式电子产 品供能。同时，柔性压电材料为压电纳米发电机的进一步发展提供了集成的可能，并进一步 的提高纳米发电机的高功率密度输出。 美国佐治亚理工学院的ZhongLinWang教授2006年首次提出用ZnO纳米线制备的纳米 同压电材料来进行能量的收集得到了很多的关注。其中，ZnO、ZnS、GaN、InN等材料[4．6】 兼具半导体和压电性质，制备的纳米发电机需要肖特基结或嵌入绝缘端来实现应变中材料的 束缚电荷积累。作为绝缘体的PZT、PVDF则可以直接实现应变中材料的束缚电荷积累，使 得纳米发电机的制备过程更简单【7】。 压电聚合物如PVDF、PVDF-TrFE，具有较好的柔性，较高的压电系数，在柔性纳米发 电机中具有重要的应用【8】。采用合聚物PVDF．TrFE薄膜作为压电材料，可以获得比聚合 物PVDF更好的压电效应【9】，比PVDF．TrFE纤维更大的有效工作面积【lO】。 实验中，成功的制备了工艺简单，性能稳定的PVDF．TrFE薄膜柔性纳米发电机。压电 材料采用简单旋涂工艺制备的PVDF．TrFE薄膜。制备的纳米发电机通过测试输出开路电压 与短路电流值进行电学性能的表征，并通过极性反转测试验证结果真实性。部分顺电相(n 相)在极化后转变成铁电相(B相)，极化强度和电压的迟滞回线则表征了薄膜的铁电或压 电性质，并发现薄膜的矫顽场随着测试频率的增加而升高。 一．芒芝鼍一coI-委Ij三ek 图I不同驱动电压的电极化强度滞回曲线。 ≥。zr‘一一一一一一一一一 图2Comsol数值分析得到的开路电压大小分布 铆≮曹。(b一9F _ l_ 图3(a)纳米发电机示意图。(b)同一纳米发电机在剪切前后得到的 不同有效工作面积。(c)剪切前，有效工作面积为9删m2的纳米发电机的短 路电流输出。(d)剪切后，有效工作面积分别为6mm2和3mm2的纳米发电 机的短路电流输出。 数值分析上，利用多物理场仿真软件Comsol建立物理模型，分析了纳米发电机的电压 分布，并计算了在一定周期性压缩释放的频率和应变值下的电学输出结果。 实验上通过调整周期性压缩释放的频率和应变值，表征了应变率对电学输出包括开路电 压和短路电流的影响。实验发现，频率增加，应变固定，则应变率增加，短路电流值随着增 加的应变率呈线性增长。应变增加，频率固定，则应变率增加，短路电流值一样随着增加的 应变率增加。实验结果说明提高实验过程中纳米发电机工作的应变率可以较大的提供纳米发 电机的电学性能。纳米发电机的稳定性测试过程中，电学输出结果只有小幅度的衰减，说明 制备的纳米发电机性能稳定，应用潜力大。 最后，通过建立简单物理模型，计算了在一定实验条件下的开路电压和短路电流值，并 将计算值和实验值相比较，发现计算值在应变率、应变、频率等参量的变化趋势均和实验值 一致，从而验证了所建立物理模型的正确性。为了进一步验证开路电压和短路电流的计算表 达式的有效性，实验讨论了短路电流大小与有效工作面积的关系，发现计算结果有效的预测 了实验结果变化趋势和大小，具有较高的准确性。 制备的纳米压电发电机可以应用于智能纺织品结构、可穿戴纳米器件和自供能纳米器 件。 参考文献： [1】Z．L．Wang，w．Z．Wu，Nanotechnology-EnabledEnergy forSelf-Powered Harvesting Micro-／Nanosystems，Angew．Chem．Int．Ed．51(2012)2-24．