一种石墨烯驻极体纳米发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环保与绿色能源技术领域，具体涉及一种石墨烯驻极体纳米发电机。
【背景技术】
[0002]在过去的几十年中，纳米技术在电子学、光电子学、材料科学、生物化学等领域取得了许多突破性进展，新型纳米材料与器件不断被研发出来。这就引申出了纳米技术中能源供应这一极其重要的问题。纳米发电机使得纳米器件的能量供给系统与工作系统同时都能达到纳米量级，从而保持了自备电源的完整性和纳米器件系统的微型化等特点。为实现整个纳米器件工作系统的真正小型化奠定了基础。
[0003]自2004年被确认存在以来，作为二维材料代表的石墨稀引起了学术界广泛关注；这种新材料具有较高的功函数，非凡的电子学性能和它与有机分子间强大的相互作用，这些都能降低电极/有机层之间的电子注入势皇，提高器件性能。石墨烯的制备方法主要有化学合成、外延生长、化学气相沉积、微机械剥离、天然石墨氧化还原法、电化学方法等。其中还原氧化石墨稀(reduced graphene oxide,RG0)因其制备工艺简单易控，被认为是最有希望工业化的功能性电子材料之一。
[0004]目前，纳米发电机已被制造成功，主要有压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机，这些纳米发电机为纳米发电机的持续研发提供了基础，纳米发电机的基本原理是:当纳米线在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。上述的压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机，主要靠外力直接作用在纳米发电机的电极上，进而使纳米发电机产生电流，但在人们的生活环境中有着丰富的可变频率和强度的能量，例如声音、气流、人类活动等，目前这些能源的绝大部分仍处于浪费状态，而对这些能量，现有的纳米发电机技术仍难以收集到。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种石墨稀驻极体纳米发电机，以进一步地丰富纳米发电机的种类，以能够将生活中大量的声波进行收集，并将其转化为电能，达到绿色环保收集能源的效果。
[0006]本发明中，石墨烯驻极体纳米发电机的具体结构为:
[0007]由导电硅片制作的底电极；
[0008]所述底电极上的第一绝缘层；
[0009]所述第一绝缘层上的电荷存储层；
[0010]所述电荷存储层上的由高分子聚合物制作的第二绝缘层；
[0011]所述第二绝缘层上的由还原氧化石墨烯构成的顶电极。
[0012]所述电荷存储层由氧化石墨烯或部分还原氧化石墨烯构成，或者由任意比例的氧化石墨稀和部分还原氧化石墨稀构成，或者由质子化氧化石墨稀构成。部分还原氧化石墨烯的制备目前很成熟，专利申请201510268002.3和201310481713.X中均有比较完整的制备方法；质子化氧化石墨烯是氧化石墨烯的衍生物，其是将氧化石墨烯置于酸性溶液中制成悬浮液，并控制悬浮液的pH值在1?5之间，然后将悬浮液进行干燥后制得，酸性溶液可以为盐酸、硫酸、甲酸或乙酸等溶液，采用酸性溶液对化学物质进行质子化的方式为化学领域的常用方法，不再详述。
[0013]所述导电硅片为掺磷的N型半导体或者掺綳的P型半导体硅片，导电硅片的厚度为180?220微米；这类导电硅片在现有技术中已很成熟，均能满足本申请的需要，不再赘述。
[0014]本发明中，顶电极由还原氧化石墨烯构成。电荷存储层由氧化石墨烯、部分还原氧化石墨烯或质子化氧化石墨烯等驻极体材料构成，电荷存储层实际上为一个整体的驻极体。电荷存储层中的电荷可以在电荷存储层的制备过程中，通过制备材料与基底之间的摩擦而产生静电效应获得；或者在纳米发电机制成后，通过低压直流供电在电荷存储层产生电荷，以上均为使驻极体材料产生电荷的常规方法。在电荷存储层内部电荷的诱发下，在底电极与顶电极之间形成感应电荷，在声波的振动下，电极之间的距离发生变化，感应电荷随之移动，产生电流。本发明能够将现实环境中无处不在的微小声波转化为电能，起到了无污染绿色能源采集器的作用。
[0015]与纳米压电发电机相比，在本发明石墨烯驻极体纳米发电机的运行过程中，电极与电荷存储层间不需要压力接触，有效避免了纳米压电发电机工作中，因摩擦带来的功能层损伤，使本发明具备更高的理论产品寿命；同时也避免了摩擦生热等现象导致的能量损失，能量转化效率更高，最高达13%左右；并且各个部件的制备以溶液法为主，无需高温高压处理，工艺流程简单。
[0016]进一步，当电荷存储层由氧化石墨稀或部分还原氧化石墨稀构成，或者由任意比例的氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯构成时，其制作方法为:将驻极体材料投入到第一分散剂中制成第一悬浮液，其中驻极体材料的浓度为5?8mg/mL，然后将第一悬浮液涂覆于第一绝缘层上，再用热风整平并烘干，获得厚度为0.8?1.2微米的驻极体薄膜，该驻极体薄膜即为电荷存储层；所述驻极体材料为片层大小在400?600纳米之间的氧化石墨烯或部分还原氧化石墨烯，或任意比例的氧化石墨烯和部分还原氧化石墨烯的混合物；第一分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、四氢呋喃、N、N 二甲基甲酰胺或去离子水中的至少一种。热风的温度可以根据具体的烘干速度进行调整，优选控制在30?70°C之间，如此可以获得质量较好的薄膜。
[0017]第一悬浮液优选采用旋涂、刮涂、滴膜或丝印的方法涂覆于第一绝缘层上，这些方法均可使电荷存储层获得电荷的存储；旋涂、刮涂、滴膜或丝印这些均为现有技术中用于制备薄膜的常规方法，在此不再赘述。
[0018]当电荷存储层由质子化氧化石墨烯构成时，可以将已有的质子化氧化石墨烯调配成悬浮液，然后制膜；在本申请中，为了简化制备步骤，优选采用了以下制作方法，具体为:将片层大小在400?600纳米之间的氧化石墨烯投入到酸性溶液中制成第二悬浮液，其中氧化石墨稀的浓度为5?8mg/mL，控制第二悬浮液的pH值在1?5之间；然后将第二悬浮液涂覆于第一绝缘层上，再用热风整平并烘干，获得厚度为0.8?1.2微米的质子化氧化石墨烯薄膜，该质子化氧化石墨烯薄膜即为电荷存储层。酸性溶液可以为盐酸、硫酸、甲酸或乙酸等溶液。
[0019]第二悬浮液同样优选采用旋涂、刮涂、滴膜或丝印的方法涂覆于第一绝缘层上。
[0020]将氧化石墨稀等驻极体材料作为纳米发电机的电荷存储层，比氧化锌纳米线等传统驻极体材料具有更好的加工性能，并且可以方便地通过质子化等方法调节电荷存储能力，有助于提尚纳米发电机的效率。
[0021]为提高制作效率，比较好的方式是将电荷存储层在第一绝缘层上直接制作，将电荷存储层直接制备在第一绝缘层上，还可使纳米发电机的体积更加小型化。
[0022]顶电极由还原氧化石墨烯构成，还原氧化石墨烯的制备目前也很成熟，专利2010101868193^201410174812.8和201310287531.9均有比较完整的记载，可以将采用这些方法制备的还原氧化石墨烯调配成悬浮液，然后制膜；在本申请中，为了简化制备步骤，顶电极优选采用了以下制作方法:
[0023]将片层大小为400?600纳米的氧化石墨烯粉末投入到第二分散剂中制成第三悬浮液，其中氧化石墨烯的浓度为5?8mg/mL，然后在基底上涂覆第三悬浮液，待第二分散剂挥发干净后进行剥离，得到厚度为0.8?1.2微米的氧化石墨烯薄膜；再将该氧化石墨烯薄膜置于70?90°C的还原剂中进行还原，取出后用去离子水清洗