НАНОГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ МИКРОРОБОТОВ

При миниатюризации мобильных энергонезависимых робототехнических систем возникает проблема обеспечения их питанием. Источник питания должен также быть минимальных размеров. В качестве источника питания можно использовать, например, аккумуляторную батарею, но при уменьшении размеров сильно ограничивается время ее функционирования и возникает потребность в более частой подзарядке. Поэтому желательно, чтобы миниатюрное устройство могло обходиться вообще без батареи (либо могло аккумулировать энергию), получая энергию из окружающего пространства или преобразуя энергию направленного излучения. Для медицинских применений отрицательным фактором аккумулятора является токсичность его наполнителя. В связи с этим полезно было бы разработать альтернативный источник питания для автономных устройств, который преобразовывал бы, например, механическую, электромагнитную или тепловую энергию в электрическую и был бы биосовместим и не токсичен.

Наноструктурированные материалы уже давно привлекают внимание ученых и инженеров разных стран из-за их оригинальных технических характеристик. Применяются подобные материалы в различных отраслях - электронике, оптике, механике. С уменьшением размеров структуры материал приобретает новые электрические, механические, химические и оптические свойства, которые существенно отличаются от свойств макротел.

Одним из основных материалов для изготовления наноструктур является оксид цинка. Он обладает сильными пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами, поэтому применяется для создания актюаторов, пьезоэлектрических датчиков и наногенераторов. Энергия ионизации оксида цинка 3,37 эВ, энергия связи 60 мэВ, это обеспечивает эмиссию электронов при облучении ультрафиолетовым излучением при комнатной температуре. Из оксида цинка делают различные наноструктуры, такие как нанопроволоки, нанополосы , нанопружины, нанокольца, нанодуги, наноспирали.

Здесь описан наногенератор, разработанный группой ученых.

Технологический процесс создания наногенератора насчитывает несколько этапов. Сначала путем осаждения пара сложного состава на подложке из сапфира, предварительно покрытой наночастицами золота в качестве катализатора, была выращена матрица из вертикально стоящих нанопроводков из оксида цинка, который одновременно является и пьезоэлектриком, и полупроводником. Размер стержней варьировал от 200 до 500 нм в длину и от 20 до 40 нм в диаметре. Шаг нанопроволок составлял приблизительно 100 нм. Пленка оксида цинка также возникала на поверхности подложки, создавая электрическое соединение для всех нанопроволок. В качестве подложки для выращивания нанопроволок применялся арсенид галлия, сапфир или даже гибкий полимер. Так что подобную нанобатарейку можно сделать еще и гибкой. К тому же основной материал -оксид цинка - не токсичен, что важно для медицинского применения.

Для наногенераторов на основе проволок из оксида цинка экспериментально были получены следующие характеристики:

1.Измеряемый потенциал имеет пиковое значение, отрицательное по отношению к заземленному концу нанопроволоки.

2.Нет выходного токового сигнала в момент касания кантилевером нанопроволоки, ток в цепи течет только когда кончик кантилевера находится близко к точке соскакивания с нанопроволоки.

3.Ток течет, только когда кантилевер касается сжатой части нанопроволоки. 

4.Выходной ток регистрируется, только если нанопроволоки изготовлены из материала, являющегося пьезоэлектриком (GaN, ZnS, ZnO). Если нанопроволоки изготовлены из оксида вольфрама, углерода (нанотрубки), кремния или металла, то выходной сигнал не наблюдается.

5.Величина выходного сигнала зависит от размеров нанопроволок.

6.Для осуществления генерирования постоянного тока необходимо, чтобы между нанопроволокой и металлическим электродом существовал барьер Шоттки.

Преимущества наногенератора на основе нанопроволок ZnO следующие:

Нанопроволока может быть подвергнута большой изгибной упругой деформации.
Нанопроволока менее подвержена дислокациям, поэтому и меньше усталостные эффекты, что продлевает срок службы всего прибора.
Нанопроволоке требуется незначительное усилие для изгиба, что существенно для накопления энергии из внешних механических колебаний.
Нанопроволоки из ZnO выращиваются при температуре 80°C методом химического синтеза на подложке практически любого состава и любой формы поверхности.
ZnO - биосовместимый, не токсичный, разлагающийся материал.