一种耐高温的摩擦纳米发电机结构及其制备方法

1.本发明涉及新能源技术和电子技术领域，尤其是一种耐高温的摩擦纳米发电机结构及其制备方法。


背景技术：

2.摩擦纳米发电机是利用摩擦电效应和静电感应相结合的原理将环境中的机械能转化为电能，其具有制备工艺简单，原材料不受限制，输出功率高，稳定性好等优点。从第一台摩擦纳米发电机发明至今，在材料优化、工作模式、应用场景等许多方面都取得了重大突破，受到了世界的广泛关注。
3.目前，摩擦纳米发电机通常工作于常温环境或低温环境下，很难在高温环境下工作。一方面，由于在实际应用中常采用有机材料作为摩擦层，该材料具有固有局限性，难以抵抗高温。另一方面，当摩擦纳米发电机其处于高温环境中时，摩擦层中积聚的摩擦电荷会通过热电子发射而耗散，导致摩擦纳米发电机的输出性能大幅度地降低。此外，金属电极在高温下电阻增大，也会降低摩擦纳米发电机的输出。因此，开发适用于高温环境甚至是局部高温环境的高输出摩擦纳米发电机对于发动机、排气管等部位的能量收集、实时监测等应用场景具有重要的意义。
4.为了解决该问题，一方面需要从材料入手，整体采用耐高温材料；另一方面，需要设计新型发电结构和原理，使得其在高温下仍能保持较高的输出性能。


技术实现要素：

5.本发明提出一种耐高温的摩擦纳米发电机结构及其制备方法，在高温下仍能保持较高的输出性能。
6.本发明采用以下技术方案。
7.一种耐高温的摩擦纳米发电机结构，所述发电机结构包括以摩擦动作产生脉冲直流电输出的上摩擦件和下摩擦件，上摩擦件包括顺序设置的上电极和耐高温的上摩擦层，下摩擦件为下电极与下摩擦层组合而成的耐高温的高功函数金属电极；所述上摩擦层为半导体摩擦层，其材质为本征半导体或者轻掺杂半导体，当上摩擦层与下摩擦件以摩擦动作进行接触-分离时，高功函数金属电极在摩擦动作中与半导体摩擦层形成肖特基势垒，在摩擦伏特效应的作用下，上电极和下电极之间形成脉冲直流电输出。
8.所述上电极为导电的杂质半导体上电极，其材质为高掺杂n型半导体或者高掺杂p型半导体，在高温时其导电性能的电阻率下降；所述半导体摩擦层为绝缘体，材质为本征半导体或者轻掺杂半导体，在高温下电阻率下降；所述高功函数金属电极的下电极功函数大于半导体摩擦层的半导体摩擦材料功函数，以使两者接触时形成肖特基接触。
9.所述半导体摩擦层、高功函数金属电极的稳定工作的温度范围为500度以下；所述摩擦纳米发电机通过外力驱动，使上摩擦件和下摩擦件进行接触-分离动作，并通过上摩擦件和下摩擦件中的半导体材料、杂质半导体材料和金属材料在高温下的电阻率变化来提升电子流动效应，以提升高温环境下的电流输出性能。
10.所述杂质半导体掺杂浓度大于10
18
cm-3
,厚度为0.01mm-2mm，电阻率小于10-3
ωcm-1
；所述半导体摩擦层的杂质浓度小于10
18
cm-3
，厚度为0.1mm-3mm，电阻率大于108ωcm-1
；所述下电极为金属电极，电极材料选用金属材料的金、银、铜、铁、锰、锌、铝、镁或钙，或是选用合金材料的铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钽合金或钛合金，其厚度范围为0.1um-10mm。
11.当所述发电机应用于消防和其他极端温度环境下的电源时，发电机结构中不使用聚合物材料，以提升发电机在高温下的稳定性。
12.一种耐高温的摩擦纳米发电机结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤；步骤s1:清洗本征半导体衬底片；步骤s2:进行外延生长；步骤s3:进行轻掺杂以形成上摩擦层，通过重掺杂以形成上电极；步骤s4:进行减薄工艺处理；步骤s5:通过在衬底上生长所需厚度的金属层来制备下摩擦件；步骤s6:通过光刻工艺对金属和半导体进行图案化处理。
13.步骤s1中，所述半导体衬底片的材料为元素半导体或二元系、三元系、四元系的无机化合物半导体，选用的材料为si、ge、sn、as或sb。
14.步骤s2中，外延生长的工艺采用mbe、mocvd、cbe或ale；步骤s3中，掺杂工艺选用扩散方法或离子注入方法；步骤s5中，金属层生长方法选用蒸发、溅射或化学气相沉积。
15.所述步骤s6中，其图案化处理为在金属层、上摩擦层处制备阵列化的立方块、棱锥、棱柱或金字塔形状，以增强摩擦伏特效应。
16.本发明提供了一种耐高温的摩擦纳米发电机结构及其制备方法，其下摩擦层和半导体摩擦层之间接触-分离，在摩擦伏特效应的作用下，上电极和下电极之间形成脉冲直流电输出。该摩擦纳米发电机结构，一方面不使用聚合物材料，有效提高了摩擦纳米发电机在高温下的稳定性；另一方面，高温下杂质半导体电阻下降，有利于电子的流动，提高了其输出性能。该制备方法与现有半导体工艺兼容，结构简单，易于推广，填补了高温下工作的摩擦纳米发电机空白，极大地推动了其在消防和其他极端温度环境下的潜在应用。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：附图1为本发明实施例中的摩擦纳米发电机结构示意图；附图2为本发明实施例中的金属-半导体接触前后的能带变化示意图；附图3为本发明步骤s6对金属和半导体进行图案化处理后的示意图；附图4为本发明所述发电机各材质的电阻率随温度的变化示意图；
附图5为本发明所述发电机在不同温度环境下的电流输出性能对比示意图；图中：1-上电极；2-上摩擦层；3-高功函数金属电极。
具体实施方式
18.如图所示，一种耐高温的摩擦纳米发电机结构，所述发电机结构包括以摩擦动作产生脉冲直流电输出的上摩擦件和下摩擦件，上摩擦件包括顺序设置的上电极1和耐高温的上摩擦层2，下摩擦件为下电极与下摩擦层组合而成的耐高温的高功函数金属电极3；所述上摩擦层为半导体摩擦层，其材质为本征半导体或者轻掺杂半导体，当上摩擦层与下摩擦件以摩擦动作进行接触-分离时，高功函数金属电极在摩擦动作中与半导体摩擦层形成肖特基势垒，在摩擦伏特效应的作用下，上电极和下电极之间形成脉冲直流电输出。
19.所述上电极为导电的杂质半导体上电极，其材质为高掺杂n型半导体或者高掺杂p型半导体，在高温时其导电性能的电阻率下降；所述半导体摩擦层为绝缘体，材质为本征半导体或者轻掺杂半导体，在高温下电阻率下降；所述高功函数金属电极的下电极功函数大于半导体摩擦层的半导体摩擦材料功函数，以使两者接触时形成肖特基接触。
20.所述半导体摩擦层、高功函数金属电极的稳定工作的温度范围为500度以下；所述摩擦纳米发电机通过外力驱动，使上摩擦件和下摩擦件进行接触-分离动作，并通过上摩擦件和下摩擦件中的半导体材料、杂质半导体材料和金属材料在高温下的电阻率变化来提升电子流动效应，以提升高温环境下的电流输出性能。
21.所述杂质半导体掺杂浓度大于10
18
cm-3
,厚度为0.01mm-2mm，电阻率小于10-3
ωcm-1
；所述半导体摩擦层的杂质浓度小于10
18
cm-3
，厚度为0.1mm-3mm，电阻率大于108ωcm-1
；所述下电极为金属电极，电极材料选用金属材料的金、银、铜、铁、锰、锌、铝、镁或钙，或是选用合金材料的铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钽合金或钛合金，其厚度范围为0.1um-10mm。
22.当所述发电机应用于消防和其他极端温度环境下的电源时，发电机结构中不使用聚合物材料，以提升发电机在高温下的稳定性。
23.一种耐高温的摩擦纳米发电机结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤；步骤s1:清洗本征半导体衬底片；步骤s2:进行外延生长；步骤s3:进行轻掺杂以形成上摩擦层，通过重掺杂以形成上电极；步骤s4:进行减薄工艺处理；步骤s5:通过在衬底上生长所需厚度的金属层来制备下摩擦件；步骤s6:通过光刻工艺对金属和半导体进行图案化处理。
24.步骤s1中，所述半导体衬底片的材料为元素半导体或二元系、三元系、四元系的无机化合物半导体，选用的材料为si、ge、sn、as或sb。
25.步骤s2中，外延生长的工艺采用mbe、mocvd、cbe或ale；步骤s3中，掺杂工艺选用扩散方法或离子注入方法；步骤s5中，金属层生长方法选用蒸发、溅射或化学气相沉积。
26.所述步骤s6中，其图案化处理为在金属层、上摩擦层处制备阵列化的立方块、棱锥、棱柱或金字塔形状，以增强摩擦伏特效应。
27.实施例：本例中，纳米发电机的制备方法具体为：步骤1：用丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗2寸gaas片8分钟，通过mocvd方法生长一层外延层，外延层厚度5um；步骤2：通过离子注入的方法进行杂质掺杂，进行退火处理，形成n+掺杂,杂质半导体作为上电极，电阻率达到10-5
ωcm-1
；步骤3：对半导体片进行衬底减薄，厚度为0.5mm，其作为上摩擦层，电阻率达到109ωcm-1
；步骤4：清洗二氧化硅衬底片，通过磁控溅射的方法生长一层金薄膜，厚度为600nm,作为下电极和下摩擦层。
28.步骤5：通过光刻工艺对gaas片和金属分别进行光刻，在表面形成金字塔微结构，金字塔高度为10um,宽度和间隔也为10um。
29.实施例中，耐高温的摩擦纳米发电机结构示意图如图1所示，摩擦纳米发电机为接触-分离模式，分为上电极，上摩擦层和下电极、下摩擦层，上电极为n+掺杂半导体，上摩擦层为n型半导体，下电极为金，上下电极之间通过负载连接。在外力作用下，上摩擦层和下电极接触摩擦，由于摩擦伏特效应，在上下电极之间会产生直流电。
30.实施例中，金属-半导体接触界面如图2所示。金属功函数wm大于n型半导体功函数ws，半导体的费米能级e
fs
大于金属的费米能级e
fm
,当金属和半导体接触后，电子从能量高的半导体流向金属，最终达到统一的费米能级。在接触摩擦的过程中，会有电子激发，从而在外电极之间产生直流电。
31.实施例中，表面图案化如图3所示。在金属和半导体表面都有光刻形成的金字塔微结构，一方面是增加金属和半导体的接触面积，另一方面是提高摩擦伏特效应，增大摩擦纳米发电机的输出性能。
32.实施例中，高温下各功能层的电阻变化如图4所示。在高温下，杂质半导体的电阻率显著下降，半导体和金属的电阻率有所增大，由于导电性能的增强和费米能级的变化，使得摩擦纳米发电机的性能保持在较高水平；同时，半导体和金属在高温下能够保持稳定，使得整体摩擦纳米发电机具有突出的耐温性能。
33.实施例中，不同温度下的输出电流如图5所示。在高温下，摩擦纳米发电机的输出性能与常温下的输出基本一致。
34.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。