基于激光诱导石墨烯的纳米发电器件的研究

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随着社会进步,科技飞速发展,人们对于能源的需求越来越大,然而,传统的化石能源具有不可再生性,且会对环境造成巨大的污染。因此,寻找一种清洁、绿色、可持续的新型能源成为21世纪的科学家们亟待解决的问题。纳米发电机是一种基于纳米材料的将环境中的机械能转化为电能的装置。主要分为压电纳米发电机(Piezoelectric Nanogenerators,PENG)、摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)和热释电纳米发电机三类。TENG与其他两种相比,具有输出功率高、材料柔韧易获取、制造工艺简单、应用途径广泛等优势。因此,TENG受到更多的关注。尽管在TENG的制作和应用方面已经取得了一些进展,但是其制备过程较为复杂,输出功率仍有较大的提升空间,应用领域也有待拓展。基于以上问题,本文的主要研究内容如下:1、设计和制备基于氧化锌(ZnO)/激光诱导石墨烯(Laser-Induced Graphene,LIG)的混合纳米发电器件,并对该材料体系和摩擦发电性能进行表征分析,验证了氧化锌/激光诱导石墨烯摩擦发电器件的实际应用,实验结果表明,耦合了 PENG的混合发电器件的输出相比于单纯的TENG提高了近3倍;2、将摩擦纳米发电机与硒化铟场效应晶体管(InSe Field-Effect-Transistor,InSe-FET)器件耦合设计制备了摩擦电势门控的场效应管器件(Triboelectric-Potential Gated Field-Effect-Transistor,TPG-FET),实现了 器件的 触摸控制功能,对制备好 的器件进行了 表征,并对器件性能进行了测试分析,实验结果表明,TPG-InSe-FET器件具有高达106的开关比,同时其开启状态可以维持9 s以上,具备触摸开关特性。本文主要创新点在于:1、使用激光雕刻的方法直接在聚酰亚胺(Polyimide,PI)的表面制备三维纳米结构石墨烯图案化的电极,并通过电化学沉积法在三维纳米结构石墨烯上制备具有压电效应的氧化锌纳米材料,这是一种简便、高效的制备纳米发电机的方法;2、将金属-塑料摩擦发电和三维纳米结构激光诱导石墨烯电极上纳米级氧化锌ZnO材料压电发电相结合,实现了混合发电结构,有效提升了纳米发电机的性能;3、使用共电极的方式将摩擦纳米发电与新型二维材料InSe-FET器件结合,实现触摸开关控制的特性,并且拥有高达106的开关比,走在了目前摩擦电子学的研究前列。本文的研究的意义在于:1、提出一种由激光诱导与电化学沉积技术相结合的制造摩擦-压电混合纳米发电器件的工艺,简化操作流程,极大地提高输出功率,这将为新能源发电机、自供电传感器和新能源电池等极具前景的研究方向提供新思路;2、提出一种制备摩擦电势门控的场效应管器件的简便方法,实现了触摸开关控制,为触摸传感设备的研究与发展提供了新的思路,促进了摩擦电子器件的制备工艺简化和应用方向的扩展。
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