专利名称：基于心肌细胞的氧化锌纳米线发电机及制备方法
技术领域：
本发明属于纳米发电机领域，具体涉及一种采用心肌细胞作为驱动源进行发电的纳米发电机以及该纳米发电机的一种器件结构。
背景技术：
纳米压电材料，如GaN和ZnO等，在纳米发电机和压电电子学器件领域具有广泛的应用。氧化锌纳米线是目前国际上研究最多的压电材料。氧化锌纳米线中的锌正离子和氧负离子以正四面体结构对准，在无外力作用下， 锌离子的正电荷中心和氧离子的负电荷中心重合，偶极矩为零。在外力作用下，锌离子和氧离子偏离原来的位置，正电荷中心和负电荷中心不再重合，偶极矩不为零，如果沿着纳米线的C轴方向施以拉力，偶极矩为正，反之，为负，在宏观上，所有偶极矩叠加起来，沿C轴方向形成宏观电场，纳米线的两端产生电势差，机械能转化为电能。利用这一原理，基于氧化锌纳米线的第一个直流发电机于2006年诞生，相关研究成果刊登在美国Science杂志上。(Zhong Lin Wang and Jinhui Song, Piezoelectronic Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. Science, Vol. 312,2006)随后，于 2008 年氧化锋纳米线交流发电机诞生° (Runsen Yang and Yong Qin et al. ,Power generation with laterally packaged piezoelectric nanowires. ΝΝΑΝ0, DOI 10. 1038/NNAN0. 2008. 314)利用集成化的方法，纳米发电机的输出电压正在被不断提高，目前文献中报到的最大输出电压可以达到10V,可以用来驱动一个简单的无线数据传输系统。(Youfan Hu and Yan Zhang et al., Self-Powered System With Wireless Data Transmission. Nano letters, DOI 10.1021/ nl201505c,2011)和传统的压电材料PZT相比，氧化锌材料具有以下优势I，氧化锌纳米线可以承受较大的形变，这样可以提高纳米发电机工作的稳定性和增大输出电压。2，氧化锌纳米线可以用溶液分解法在塑料等柔软衬底上生长，这意味着纳米发电机可以附着在柔软的基底上进行发电，如人体的皮肤等。3，氧化锌材料具有良好的生物兼容性，毒性小。由于上述优点，基于氧化锌纳米线的发电装置在微纳发电领域中具有很广阔的应用前景，并且在医学诊断和治疗中也具有巨大的应用潜力。目前相关文献中报道的纳米发电机有两个不足1，纳米发电机的动力源来自外界，如超声波，轮胎的转动，老鼠的跑动和人类脉搏的跳动等，这些宏观层面的外力不可能和纳米层面的器件集成，使纳米发电机无法单独存在，必须依附在动力源上。2，由于纳米发电机所利用的外力并不是持续存在的，而是时断时续的，这使纳米发电机的输出变得不稳定。
发明内容
本发明的主要目的在于提出利用生物组织(比如心肌细胞)来驱动纳米发电机进行发电。心肌细胞等生物组织具有兴奋伸缩功能，通过这一伸缩过程来给氧化锌纳米线提供外力，驱动纳米发电机工作。本发明纳米发电机的结构，具体包括一衬底，在衬底上设有沟槽，在沟槽的开口处设有绝缘胶带，在柔软的绝缘胶带上面等间距的地方淀积氧化锌种子层，然后在种子层的一侧和上方淀积金属阻挡层，在金属阻挡层的另一侧淀积具有导电金属材料层，氧化锌纳米线横向搭载在氧化锌种子层上，所述沟槽中设有单个或多个心肌细胞。该纳米发电机的基本工作原理1，压电势的大小理论研究表明，压电势的大小与施加外力所导致的纳米线的形变大小成正比，与纳米线的长度和直径比的立方成反比。据估算，一个直径50nm，长度600nm的氧化锌纳米线在外力作用下,产生的压电势可以达到O. 3V。(Yifan Gao and Zhong Lin Wang et al,Electrostatic Potential in a Bent Piezoelectric Nanowire. The Fundamental Theory of Nanogenerator and Nanopiezotronics. Nano letters,DOI 10. 1021/nl071310j，2007)2，压电势的分布在外力作用下，氧化锌纳米线的压电势分布与外力的施加方向密切相关。当外力为侧向应力，纳米线的两侧分别处于拉伸和压缩状态，拉伸一侧压电势为正，压缩一侧压电势为负，纳米线根部的压电势方向在拉伸一侧为负，压缩一侧为正。当沿着纳米线的轴向施加外力，纳米线两侧都是处于拉伸或者压缩状态，在拉伸状态下，压电势沿着应力方向从负到正均匀增加，在压缩状态下，压电势压着应力方向从正到负均匀减少。3，本专利所提出的纳米发电机在外界应力作用下所产生的形变是单一的，这是因为纳米线的直径(几十纳米到300纳米)相对于柔软绝缘胶带的厚度(微米尺度，如 Kapton500HN, 120微米)是非常小的，所以纳米线的形变和所依附的KAPTON衬底表面的形变是一致的。本发明还提出了这种器件单个发电单元的实现方法，涉及沟槽的刻蚀，纳米线的横向生长和心肌细胞的引入。该发电机的基本实现步骤1，制备沟槽选择合适的衬底，如Si/Si02、Si3N4和石英玻璃等。采用相应的刻蚀方法，如湿法刻蚀、干法刻蚀等，在衬底上刻蚀出与所选用心肌细胞尺寸匹配的沟槽；2，固定柔软的绝缘胶带采用淀积金属的方法，将柔软的绝缘胶带如KAPTON等固定在沟槽的上方；3，淀积氧化锌种子层和生长阻挡层在柔软的绝缘胶带上面等间距的地方淀积氧化锌种子层，然后在种子层的一侧和上方淀积纳米线生长的金属阻挡层，如铬、镍等；4，横向生长氧化锌纳米线采用溶液热分解法或化学气相沉积法生长氧化锌纳米线，氧化锌纳米线横向设在两个相邻的金属阻挡层之间；5，淀积金属在有金属阻挡层的一侧淀积具有良好导电性的金属材料(如金等)， 以确保纳米线和金属电极之间形成良好的电学接触；6，心肌细胞的培养与引入选择合适的心肌细胞种类，如人心肌细胞，鼠类心肌细胞等。并针对所选用的心肌细胞种类，配置培养液，然后将器件置入营养液中，营养液将会渗入到沟槽当中，最终心肌细胞会在沟槽中分裂形成。本发明的优点与技术效果本专利提出的基于单个或多个心肌细胞的纳米发电机克服了现有技术的缺点。首3/4页
先单个或多个心肌细胞在微米尺度内，和纳米发电机的尺寸匹配，便于和纳米发电机集成为一个独立的供电器件，使纳米发电机不再需要依附在外部动力源上。其次，心肌细胞只要不死亡，就可以持续而稳定的震动，纳米发电机的输出因此就可以持续而稳定。综上所述，基于单个或多个心肌细胞的纳米发电机克服了现有纳米发电机对外部动力源的依附和输出不稳定的问题，使纳米发电机随时随地都可以稳定工作，该种微型的发电机可以集成在人体或动物心脏，发电机所产生的输出可以用来驱动医疗诊断器或者治疗器工作。本发明的优点在于采用心肌细胞的伸缩运动作为驱动纳米发电机工作的动力，这样就可以不需人为的外加驱动力，只要让心肌细胞保持生命，就可以使纳米发电机持续工作。要让心肌细胞保持生命，只要让它处于合适的外界环境就可以，比如我们可以将密封好的器件置于培养液中，甚至置于合适的体内环境，就可以让心肌细胞持续伸缩，带动纳米发电机持续工作。
附图I是本发明器件的俯视图；附图2是本发明器件的截面剖图；图中，I-氧化锌纳米线；2_金属阻挡层；3_氧化锌种子层；4_柔软的绝缘胶带；
5-导电金属；6_心机细胞不意图；7-沟槽；8_衬底。
具体实施例方式I.制备沟槽在硅衬底上旋涂一层光刻胶，然后经曝光和显影，在硅衬底上定义出沟槽的图形，衬底的非图形区域被光刻胶保护，最后采用干法刻蚀的方法，进行沟槽的刻蚀，刻蚀的深度与心肌细胞的大小应匹配，沟槽的深度应该在15微米到20微米之间，宽度和长度由需要的心肌细胞的个数来决定，而心肌细胞的数目由所需要的发电装置的输出功
率决定。2.固定KAPTON胶带选取合适尺寸的KAPTON胶带，置于硅衬底上，KAPTON胶带的长度要大于沟槽的长度，宽度应略小于沟槽的宽度，露出缝隙，作为心肌细胞培养液的注入通道。(见附图1，稍稍做了改动)然后通过在KAPTON胶带的两端淀积金，将KAPTON胶带固定。3.清洗衬底将衬底依次放入丙酮，酒精，异丙醇和去离子水中，分别超声10分钟，然后用氩气枪吹干，放入烘箱中，加热到200度，以彻底去除衬底表面的水蒸气。4.淀积氧化锌种子层和纵向生长阻挡层在衬底上旋涂一层光刻胶，然后经光刻和显影，在KAPTON胶带上定义出等间距的带状区域，随后用CVD的方法依次淀积200nm的氧化锌种子层和5nm的铬阻挡层，铬阻挡层在氧化锌种子层的上方。最后通过剥离工艺，去除其它区域的种子层和阻挡层，只保留带状区域的种子层和阻挡层。5.淀积侧向生长阻挡层在衬底上旋涂一层光刻胶，然后通过套刻和显影，在每个氧化锌种子层的一层定义出条状区域，随后用CVD的方法淀积5nm的铬阻挡层，最后通过剥离工艺，去除其他区域的铬阻挡层，只保留条状区域的铬阻挡层。6.横向生长氧化锌纳米线用O. 025mol/L的HMTA和O. 025mol/L的Zn(NO3)2配
5置营养液，接着将淀积好氧化锌种子层的器件放入溶液当中，并将溶液置于烘箱当中，加热到90度，保持24小时，以进行氧化锌纳米线的生长。本发明通过更新营养液和增加生长时间的方法来增加纳米线的长度。7.淀积金在衬底上旋涂一层光刻胶，然后经第二次套刻和显影，在有铬金属的一侧，定义出需要淀积金的条状区域，用磁控溅射的方法淀积200nm的金，最后通过剥离工艺，去除其它区域的金，只保留条状区域的金，保证氧化锌纳米线和铬金属形成可靠的电学接触。8.心肌细胞的培养与引入配制培养液，放入大鼠的心肌组织碎片，在适宜条件下进行心肌细胞的分裂生长。在生长的过程中，把生长好氧化锌纳米线的硅片，放入培养液中，这样培养液会渗进沟槽当中，经过合适的培养时间，沟槽内分裂形成一定数量的直径在 15微米左右的心肌细胞。9.封装，将整个器件进行密封，应该留出沟槽与外界的借口，用来进行培养液的循环更新。
权利要求
1.一种纳米发电机结构，其特征在于，包括一衬底，在衬底上设有沟槽，在沟槽的开口处固定有绝缘胶带，在绝缘胶带上面等间距淀积若干个氧化锌种子层，氧化锌种子层的一侧和上方淀积金属阻挡层，氧化锌纳米线横向设在两个相邻的金属阻挡层之间，所述沟槽中设有单个或多个心肌细胞。
2.如权利要求I所述的纳米发电机结构，其特征在于，所述绝缘胶带为KAPTON胶带。
3.如权利要求I所述的纳米发电机结构，其特征在于，通过在绝缘胶带的两端淀积金， 将绝缘胶带固定在衬底上。
4.如权利要求I所述的纳米发电机结构，其特征在于，在金属阻挡层的另一侧淀积具有导电金属材料层。
5.如权利要求I所述的发电机的制备方法，其步骤包括1)制备沟槽在衬底上刻蚀出与所选用心肌细胞尺寸匹配的沟槽；2)固定绝缘胶带采用淀积金属的方法，将绝缘胶带固定在沟槽的上方；3)淀积氧化锌种子层和金属阻挡层在绝缘胶带上面等间距淀积氧化锌种子层，然后在氧化锌种子层的一侧和上方淀积金属阻挡层；4)横向生长氧化锌纳米线采用溶液热分解法或化学气相沉积法生长氧化锌纳米线， 氧化锌纳米线横向设在两个相邻的金属阻挡层之间；5)淀积金属在有阻挡层金属的一侧淀积导电性的金属材料；6)心肌细胞的培养与引入针对所选用的心肌细胞种类，配置培养液，然后将器件置入营养液中，营养液将会渗入到沟槽当中，最终心肌细胞会在沟槽中分裂形成。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，沟槽的深度范围在15微米到20微米之间。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属阻挡层为铬或镍。
全文摘要
本发明公开了一种基于心肌细胞的氧化锌纳米线的发电机及制备方法，该发电机结构包括一衬底，在衬底上设有沟槽，在沟槽的开口处固定有绝缘胶带，在绝缘胶带上面等间距淀积若干个氧化锌种子层，氧化锌种子层的一侧和上方淀积金属阻挡层，氧化锌纳米线横向设在两个相邻的金属阻挡层之间，所述沟槽中设有单个或多个心肌细胞。本发明利用生物组织(比如心肌细胞)来驱动纳米发电机进行发电。由于心肌细胞等生物组织具有兴奋伸缩功能，通过这一伸缩过程来给氧化锌纳米线提供外力，驱动纳米发电机工作。
文档编号B82Y15/00GK102593347SQ201210063670
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者傅云义, 尹金泽, 张兴, 赵华波, 魏子钧, 魏芹芹, 黄如 申请人:北京大学