納米壓電發(fā)電機及其制造方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2012年2月23日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請No.10-2012-0018655的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過參考全部引入本文。技術(shù)領(lǐng)域本公開內(nèi)容涉及納米壓電發(fā)電機(nano-piezoelectricgenerator)和制造所述納米壓電發(fā)電機的方法。

背景技術(shù)：
壓電發(fā)電機是用于將機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置(器件，device)，并且可用作小尺寸裝置和傳感器的電源或者可用作用于傳感(檢測，sense)機械振動的傳感器。近來，已研究了納米壓電電子學(xué)(nanopiezotronics)，其為在納米范圍尺度上使用壓電現(xiàn)象的領(lǐng)域。由于應(yīng)變限制效應(yīng)，與體結(jié)構(gòu)體(大體積結(jié)構(gòu)體，bulkstructure)的壓電效率相比，納米結(jié)構(gòu)體的壓電效率可改善。即，在體結(jié)構(gòu)體中，由于應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變在其中未施加應(yīng)力的方向上以及在其中施加應(yīng)力的方向上發(fā)生，且因此應(yīng)變被分散。然而，在納米結(jié)構(gòu)體中，和特別地，在作為一維納米結(jié)構(gòu)體的納米線結(jié)構(gòu)體中，應(yīng)變僅限于其中施加應(yīng)力的納米線結(jié)構(gòu)體的長度方向，且因此可獲得高的壓電系數(shù)。另一方面，公知的壓電材料如鋯鈦酸鉛(PZT)和鋇鈦氧化物(BTO)不適合于制納米線(nano-wiring)且包括對人類有害的物質(zhì)。因此，近來，已積極地研究適合于制納米線的材料如ZnO或GaN作為新的納米壓電材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
提供具有改善的壓電效率的納米壓電發(fā)電機和制造所述納米壓電發(fā)電機的方法。另外的方面將在隨后的描述中部分地闡明，且部分地將從所述描述明晰，或者可通過所提供的實施方式的實踐獲知。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，納米壓電發(fā)電機包括：第一電極和第二電極；在所述第一和第二電極之間的至少一個由納米結(jié)構(gòu)體形式的半導(dǎo)體壓電材料形成的納米壓電單元；以及在所述第一電極和所述至少一個納米壓電單元之間的由絕緣材料形成的中間層。所述中間層可包括氧化物或聚合物。所述中間層可包括MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。所述第一電極可由金屬材料、導(dǎo)電氧化物、或?qū)щ娋酆衔镄纬?。所述納米壓電單元可包括ZnO或GaN。所述納米壓電單元可包括：含有預(yù)定的第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體；和用于調(diào)節(jié)所述第一載流子的濃度的濃度調(diào)節(jié)單元。所述濃度調(diào)節(jié)單元可包括摻雜在所述納米結(jié)構(gòu)體中并且具有與所述第一載流子的極性相反的極性的第二載流子。所述納米結(jié)構(gòu)體可由ZnO半導(dǎo)體納米線形成，和所述第二載流子可為p型雜質(zhì)。所述p型雜質(zhì)可為Li。所述濃度調(diào)節(jié)單元可包括附著至所述納米結(jié)構(gòu)體的表面并且具有與所述第一載流子的極性相同的極性的官能團。所述納米結(jié)構(gòu)體可由ZnO半導(dǎo)體納米線形成，并且所述官能團可具有負(fù)電荷。所述濃度調(diào)節(jié)單元可包括涂覆在所述納米結(jié)構(gòu)體的表面上的鐵電材料。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，制造納米壓電發(fā)電機的方法包括：在第一電極上形成由絕緣材料形成的中間層；在第二電極上形成至少一個由納米結(jié)構(gòu)體形式的半導(dǎo)體壓電材料形成的納米壓電單元；和將所述至少一個納米壓電單元結(jié)合到所述中間層。附圖說明從結(jié)合附圖考慮的實施方式的下列描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更容易理解，在附圖中：圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的納米壓電發(fā)電機的示意性透視圖；圖2A和2B是顯示根據(jù)對比例的納米壓電發(fā)電機的壓電電勢(piezoelectricpotential)的圖；圖3A和3B是顯示圖1中所示的納米壓電發(fā)電機的壓電電勢的圖，其中中間層的材料分別是MoO3和VO2；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的納米壓電發(fā)電機的示意性透視圖；圖5是顯示在ZnO納米線中壓電電勢相對于載流子的濃度的計算機模擬圖；圖6A至6C是顯示在圖4的納米壓電發(fā)電機中可采用的納米壓電單元的例子的圖，其中官能團附著至納米結(jié)構(gòu)體的表面；圖7是顯示在圖4的納米壓電發(fā)電機中可采用的納米壓電單元的另一例子的概念圖(草圖，conceptualview)，其中鐵電材料施加在納米結(jié)構(gòu)體的表面上以控制所述納米結(jié)構(gòu)體中的載流子的濃度；和圖8A至8C是說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式的制造納米壓電發(fā)電機的方法的圖。具體實施方式現(xiàn)在將詳細(xì)介紹實施方式，其例子說明于附圖中，其中相同的附圖標(biāo)記始終是指相同的元件。在這點上，當(dāng)前的實施方式可具有不同的形式并且不應(yīng)解釋為限于本文中所闡明的描述。因此，下面僅通過參考附圖描述實施方式，以解釋本描述的方面。表述例如“的至少一個(種)”，當(dāng)在要素列表之前或之后時，修飾要素的整個列表且不修飾所述列表的單個要素。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的納米壓電發(fā)電機100的示意性透視圖。參照圖1，納米壓電發(fā)電機100包括第一電極120、第二電極150、在第一電極120和第二電極150之間形成的納米壓電單元140、以及在第一電極120和納米壓電單元140的至少一個之間形成的中間層130。納米壓電發(fā)電機100是用于將由于細(xì)微振動或移動而產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，并且包括具有用于改善壓電性能的納米結(jié)構(gòu)體的納米壓電單元140和由絕緣材料形成的中間層130。將如下更詳細(xì)地描述納米壓電發(fā)電機100。納米壓電單元140各自由納米結(jié)構(gòu)體形式的半導(dǎo)體壓電材料形成。所述半導(dǎo)體壓電材料可為，例如，ZnO或GaN。所述納米結(jié)構(gòu)體可為納米棒、納米線、納米孔或納米管，但本實施方式不限于此。此外，納米壓電單元140可具有多種橫截面形狀例如六邊形形狀或方形形狀，或者可具有在生長軸方向上在面積方面變化的橫截面，例如納米針。由于應(yīng)變限制效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)體可具有比體結(jié)構(gòu)體的壓電效率好的壓電效率。即，在體結(jié)構(gòu)體中，由于應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變在其中未施加應(yīng)力的方向上以及在其中施加應(yīng)力的方向上發(fā)生，且因此應(yīng)變被分散。然而，在納米結(jié)構(gòu)體中，和特別地，在納米線結(jié)構(gòu)體即一維納米結(jié)構(gòu)體中，應(yīng)變僅限于其中施加應(yīng)力的納米線結(jié)構(gòu)體的長度方向，且因此可獲得高的壓電系數(shù)。中間層130可設(shè)置在第一和第二電極120和150之一，例如，第一電極120與納米壓電單元140之間，如圖1中所示。通常，在使用半導(dǎo)體壓電材料的發(fā)電機中，肖特基(Schottky)接觸發(fā)生在電極和半導(dǎo)體之間。當(dāng)從外界向壓電材料施加機械力時，在壓電材料中產(chǎn)生壓電電壓，形成電極的費米能級，并且在外部電路中產(chǎn)生電子流以使電極的費米能級相符(coincide)。為了使制造平衡狀態(tài)的電子流僅在外部電路中發(fā)生，要求在半導(dǎo)體壓電材料和電極之間形成高的肖特基勢壘。然而，可能存在通過界面的泄漏電流，即使具有肖特基勢壘，并且這使產(chǎn)生的電壓降低且使能量產(chǎn)生效率降低。為了解決以上問題，肖特基勢壘必須更高。然而，在選擇用于形成電極的材料方面存在限制。例如，必須使用具有高的功函數(shù)的昂貴材料，例如Pt和Au。在本實施方式中，將由絕緣材料形成的中間層130插入電極和半導(dǎo)體之間以繞過(circumvent)在電極材料選擇方面的限制和減少界面泄漏電流，且因此壓電效率得以改善。中間層130可由各種絕緣材料形成。例如，可使用氧化物材料、聚合物、或其混合物。所述氧化物材料可為，例如，MoO3、VO2、WO3、HfO2、Al2O3、ZrO2、Si3N4、Ta2O5、MgO、Y2O3、La2O3、HaSiO4或SiO2。第一電極120和第二電極150可由，例如，Au、Ag、Al、Cu、Pd、Pt、Ru、Ni、Co、Al、或其混合物形成。此外，第一和第二電極120和150可由透明和柔性的導(dǎo)電材料，例如，導(dǎo)電氧化物如氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)、導(dǎo)電聚合物、或其混合物形成。另外，第一和第二電極120和150可由碳納米管、導(dǎo)電聚合物、納米纖維、納米復(fù)合物或石墨烯形成。此外，如圖1中所示，納米壓電發(fā)電機100可進一步包括基材110?；?10可由各種材料形成，例如，基材110可為固體基材，例如玻璃基材或硅基材。此外，基材110可為柔性基材，例如塑料基材或織物基材；然而，本發(fā)明的實施方式不限于此。另一方面，如果基材110包括導(dǎo)電材料，基材110可起到電極的作用代替第一電極120。例如，當(dāng)基材110包括以高的濃度摻雜的硅時，可以不在基材110上設(shè)置第一電極120。外部負(fù)載(load)170連接到第一和第二電極120和150以儲存或消耗由納米壓電發(fā)電機100產(chǎn)生的電。當(dāng)從外界向納米壓電發(fā)電機100施加機械力或能量，例如，細(xì)微的振動、風(fēng)、聲音、或人類的活動時，納米壓電單元140變形。此外，當(dāng)除去施加到納米壓電發(fā)電機100的外力時，納米壓電單元140回到原始狀態(tài)。如上所述，由于納米壓電單元140的壓電性質(zhì)，當(dāng)納米壓電單元140的形狀改變或恢復(fù)時，在連接至納米壓電單元140的相反的端的第一和第二電極120和150之間感應(yīng)(induce)預(yù)定的電壓。當(dāng)外部負(fù)載170是電容器時，由納米壓電發(fā)電機100產(chǎn)生的電可儲存在該電容器中。此外，如果外部負(fù)載170是納米裝置，由納米壓電發(fā)電機100產(chǎn)生的電可被該納米裝置消耗。如上所述，納米壓電發(fā)電機100可將機械能轉(zhuǎn)化為電能。圖2A和2B是顯示根據(jù)對比例的納米壓電發(fā)電機的壓電電勢的圖。根據(jù)對比例的納米壓電發(fā)電機不包括中間層。圖2A顯示其中使用ITO形成電極的情況，和圖2B顯示其中使用Pt或Au形成電極的情況。參照圖2A和2B，當(dāng)使用ITO形成電極時的壓電電勢比當(dāng)使用Pt或Au，即金屬材料，形成電極時低。此外，當(dāng)使用具有高的功函數(shù)的Pt形成電極時，壓電電勢比當(dāng)使用Au形成電極時高。由所述圖可看出，在選擇用于改善壓電效率的電極材料方面存在限制。圖3A和3B是顯示圖1中所示的納米壓電發(fā)電機100的壓電電勢的圖，其中圖3A顯示其中中間層130由MoO3形成的情況，和圖3B顯示其中中間層130由VO2形成的情況。圖3A和3B的圖顯示當(dāng)電極由ITO形成時的壓電電勢。參照圖3A，壓電電勢比其中未形成中間層且電極由ITO形成的圖2A的壓電電勢高得多，即，所述壓電電勢是圖2A的壓電電勢的約20倍高。此外，當(dāng)與其中電極由Pt(其具有與MoO3的功函數(shù)類似的功函數(shù))形成的圖2B的圖相比時，壓電電勢為至少兩倍大。參照圖3B，當(dāng)中間層130由VO2形成時，壓電電勢改善。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的納米壓電發(fā)電機200的透視圖。本實施方式的納米壓電發(fā)電機200在納米壓電單元240的結(jié)構(gòu)方面不同于圖1的納米壓電發(fā)電機100。納米壓電單元240包括：在其中包括預(yù)定的第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體，和用于調(diào)節(jié)所述第一載流子的濃度的濃度調(diào)節(jié)單元。例如，所述濃度調(diào)節(jié)單元可為具有與所述第一載流子的極性相反的極性并且摻雜在所述納米結(jié)構(gòu)體中的第二載流子。當(dāng)所述納米結(jié)構(gòu)體是ZnO納米線時，所述第一載流子可為n型載流子且所述第二載流子可為p型載流子，和Li可用作所述p型載流子。以上結(jié)構(gòu)導(dǎo)致壓電效率被改善的特性，因為納米結(jié)構(gòu)體中的載流子濃度降低，因此納米壓電單元240的納米結(jié)構(gòu)體中的第一載流子的濃度被控制并且在納米壓電發(fā)電機200中形成中間層130，從而實現(xiàn)高的壓電效率。圖5是顯示在ZnO納米線中壓電電勢相對于載流子濃度的計算機模擬圖。在該計算機模擬中，ZnO納米線被模型化為具有200nm直徑和600nm長度的六方柱。這里，直徑是所述六方柱的六邊形底(base)的最長對角線的長度。所述ZnO納米線的底面結(jié)合到基材上并電接地，且沿著所述納米線的長度方向從所述ZnO納米線的頂面施加107N/m2的外部應(yīng)力(Tz)。隨著在所述ZnO納米線的頂面的中心處的濃度的變化計算感應(yīng)的壓電電勢。參照圖5的圖，當(dāng)載流子濃度增加時，壓電電勢降低。此外，當(dāng)載流子濃度大于約1015/cm3時，壓電電勢急劇降低。圖6A至6C是顯示在圖4的納米壓電發(fā)電機200中可包括的納米壓電單元240的其它例子的圖。納米壓電單元240包括：在其中包括預(yù)定的第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體241，和附著在納米結(jié)構(gòu)體241的表面上的官能團。所述官能團具有與所述第一載流子的極性相同極性的電荷，例如，納米結(jié)構(gòu)體241可由ZnO半導(dǎo)體納米線形成，并且如所述圖中所示，所述官能團可為負(fù)電荷的羧基或磷酸(膦酸)基團。在圖6A至6C中，R表示亞烷基。圖7是顯示在圖4的納米壓電發(fā)電機200中可包括的納米壓電單元240的另一例子的圖。納米壓電單元240包括：包括預(yù)定的第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體241和涂覆在納米結(jié)構(gòu)體241的表面上的鐵電物質(zhì)245。涂覆在納米結(jié)構(gòu)體241的表面上的鐵電物質(zhì)245在一個方向上排列電極偶子247以控制內(nèi)部載流子的濃度。如圖7中所示，當(dāng)鐵電物質(zhì)245對納米線形狀的納米結(jié)構(gòu)體241施加正電壓時，負(fù)電荷集中在鐵電物質(zhì)245的相對接近所述納米線的一側(cè)，和正電荷集中在鐵電物質(zhì)245的相對遠(yuǎn)離所述納米線的一側(cè)。如上所述，由于鐵電物質(zhì)245的電極偶子247被排列，由于庫侖力(一種斥力)，所述納米線中的電子(e)被排到外部，由此控制內(nèi)部載流子的濃度。鐵電物質(zhì)245可由PVDF、BTO或PZT形成。圖8A至8C是說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式的制造納米壓電發(fā)電機300的方法的圖。如圖8A中所示，制備第一電極320，并在第一電極320上形成由絕緣材料形成的中間層330。為了制造方便，第一電極320可在基材(未示出)上形成。第一電極320可由金屬材料、導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔镄纬?。中間層330可由金屬氧化物、聚合物、或其組合形成。根據(jù)形成中間層330的材料，中間層330可以多種方式形成，例如，溶膠-凝膠合成、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射、激光燒蝕、或旋涂。如圖8B中所示，在第二電極350上形成各自由半導(dǎo)體壓電材料形成的納米壓電單元340。納米壓電單元340可由GaN或ZnO形成，并且可形成為納米棒、納米孔、或納米管，或者形成為具有圖8B中所示的納米線形狀。或者，納米壓電單元340可包括：在其中包括第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體，和用于調(diào)節(jié)所述第一載流子的濃度的濃度調(diào)節(jié)單元，如參照圖4所描述的。即，為了形成納米壓電單元340，可形成包括第一載流子的納米結(jié)構(gòu)體和可使用濃度調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)其中的第一載流子的濃度。接著，如圖8C中所示，將納米壓電單元340和中間層330彼此結(jié)合以制造納米壓電發(fā)電機300。為了將納米壓電單元340和中間層330結(jié)合，例如，通過使用環(huán)氧樹脂可固定整個結(jié)構(gòu)；然而，本發(fā)明的實施方式不限于此。根據(jù)本發(fā)明的納米壓電發(fā)電機，由絕緣材料形成的中間層被插入電極和壓電材料之間以增加電極材料的選擇范圍和改善壓電效率。另外，形成了用于調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)體中的載流子濃度的結(jié)構(gòu)，由此進一步改善了壓電效率。應(yīng)理解，本文中描述的示例性實施方式應(yīng)僅在描述的意義上考慮且不用于限制的目的。在各實施方式中的特征或方面的描述應(yīng)典型地被認(rèn)為可用于在其它實施方式中的其它類似特征或方面。