我们生活的环境中充满了各种各样的能量，例如振动能、形变能、肌肉活动能、化学能、生物能、微风能、太阳能、热能等。如果利用纳米技术可以把这些无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件，就可以制造出自驱动的微纳系统。为了解决这个纳米技术中的瓶颈问题，2006 年王中林小组成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机，并提出自驱动纳米技术的新思想。之后，世界上掀起了能量收集技术研究的热潮。过去的七年间，作者研究组在这一研究领域系统发表了一系列相关论文。为了给出一个关于纳米发电机发展的全面并且连贯的回顾与阐释，作者编写了这部专著，王中林编著的《自驱动系统中的纳米发电机》涵盖了这方面的基本理论、机理研究、丁程放大以及纳米发电机的潜在应用。 《自驱动系统中的纳米发电机》共11章，内容系统、深入浅出、图文并茂，适合纳米科技领域及相关专业的广大科研工作者、大专院校师生参考阅读。
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王中林编著的《自驱动系统中的纳米发电机》内容介绍：纳米科技已经成为21世纪前沿科学技术的代表领域之一，其对经济和社会发展所产生的潜在影响，已经成为全球关注的焦点。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）会刊在2006年12月评论：“现在的发达国家如果不发展纳米科技，今后必将沦为第三世界发展中国家。”因此，世界各国，尤其是科技强国，都将发展纳米科技作为国家战略。
王中林博士 美国佐治亚理理工学院（Georgia Ititute of Technology)终身教授、校董事讲席教授(Regents’Professor)、纳米结构表征和器件制造中心主任，中国国家纳米科学中心海外主任，美国物理学会资深会员(Fellow)。荣获美国显微镜学会1999年巴顿奖章，佐治亚理工学院2000年和2005年杰出研究奖，2005年Sigma Xi学会持续研究奖，2001年S.T.Li奖金(美国化学学会)，美国自然科学基金会CAREER基金。他是1992--2002年10年中纳米科技论文引用次数世界个人排名前25位作者之一，其学术论文已被引用10000次以上。
目 录
《纳米科学与技术》丛书序
中文版序
第1章 绪论 1
1.1 纳米器件的电源 1
1.2 白驱动传感器网络和系统 2
1.3 机械能的收集 5
1.4 纳米发电机 6
参考文献 7
第2章 纳米发电机的基础材料 8
2.1 氧化锌的晶体结构 8
2.2 气固固法生长纳米线／纳米带 10
2.3 气液固方法生长纳米线阵列 11
2.4 脉冲激光沉积法制备纳米线阵列 13
2.5 化学法生长纳米线阵列 14
2.5.1 基本方法 14
2.5.2 垂直曲线纳米线阵列的图案化生长 18
2.5.3 柔性基底上氧化锌纳米线的生长 19
2.5.4 超细纤维上生长氧化锌纳米线阵列 20
2.5.5 水平一致取向纳米线阵列的图案化生长 21
2.6 激光图案化法生长晶网级规模的纳米线阵列 22
2.7 织构化氧化锌薄膜 24
参考文献 25
第3章 压电和压电势 27
3.1 控制方程 27
3.2 前三阶微扰理论 28
3.3 垂直纳米线的解析解 30
3.4 横向弯曲纳米线的压电势 32
3.5 横向弯曲纳米线的压电势洌量 33
3.6 轴向应变纳米线的压电势 34
3.7 掺杂半导体纳米线的平衡电势 38
3.7.1 理论框架 38
3.7.2 考虑掺杂情况下压电势的计算 39
3.7.3 掺杂浓度的影响 43
3.7.4 载流子类型的影响 47
参考文献 48
第4章 纳米发电机的工作原理 49
4.1 垂直一致取向纳米线构成的纳米发电机 49
4.1.1 压电纳米发电机的概念 49
4.1.2 电极纳米线界面处的肖特基势垒 50
4.1.3 电荷的产生和输出过程 52
4.1.4 n型材料纳米发电机的原理 55
4.2 p型材料纳米发电机 57
4.2.1输出信号的性质 57
4.2.2 p型和n型纳米线的检验标准 59
4.3 基于其他纤锌矿结构纳米线的纳米发电机 61
4.4 基于横向固定纳米线的纳米发电机 62
4.4.1 基本设计 63
4.4.2 输出测量 63
4.4.3 纳米发电机的原理 68
4.4.4 线性连接 70
4.4.5 能量转换效率 70
4.4.6 收集生物机械能 72
参考文献 75
第5章 纳米发电机输出信号的表征 76
5.1 输出电流 76
5.2 输出电压 78
5.3 总结 80
参孝文献 80
第6章 基于垂直纳米线阵列的高输出纳米发电机 81
6.1 超声驱动纳米发电机 81
6.1.1 为何采用锯齿形电极？ 81
6.1.2 工作机理 82
6.1.3 纳米发电机在50 kHz超声波作用下的输出 83
6.2 集成的纳米尖纳米线相向排列方法 84
6.2.1 制备方法 84
6.2.2 工作机理 86
6.2.3 提高性能 88
6.3 端部稳固连接的集成化纳米发电机 90
6.3.1 结构设计 91
6.3.2 工作原理 91
6.3.3 增强的输出信号 93
6.3.4 白驱动纳米传感器 94
参考文献 95
第7章 基于横向纳米线阵列的高输出纳米发电机 96
7. 1 横向集成纳米发电机 96
7.1.1 器件制备 97
7.1.2 输出测量 99
7.2 柔性高输出纳米发电机 101
7.2.1 原理和制备 101
7.2.2 输出测量 103
7.2.3 发电量的存储 105
7.3 驱动一个发光二极管 106
参考文献 107
第8章 基于非接触纳米线的高输出纳米发电机 108
8.1 基本设计 108
8.2 工作机理 109
8.3 常规输出 112
8.4 利用纳米发电机来驱动传统电子器件 113
8.5 小结 116
参考文献 116
第9章 基于纤维的纳米发电机 117
9.1 微纤维纳米线复合结构 117
9.1.1 结构制备 117
9.1.2 纤维纳米发电机的制备 119
9.1.3 工作机理 121
9.1.4 输出测量 121
9.1.5 性能提高 124
9.1.6 小结 124
9.2 压力驱动的柔性纤维纳米发电机 125
9.2.1 纤维上径向织构氧化锌薄膜的生长 125
9.2.2 纤维纳米发电机的工作原理 127
9.2.3 空气压力驱动的纤维纳米发电机 127
9.2.4 呼吸驱动的纳米发电机／传感器 129
9.2.5 作为压力传感器的手腕脉搏驱动纳米发电机 129
9.2.6 小结 131
参考文献 132
第10章 收集多种类型能量的复合电池 133
10.1 收集太阳能和机械能的复合电池 133
10.1.1 结构设计 134
10.1.2 工作机理 135
10.1.3 输出表征 136
10.2 同时收集生物机械能和生物化学能的复合电池 139
10.2.1 基于PVDF纳米发电机 140
10.2.2 利用生物燃料电池来收集生物化学能 142
10.2.3 复合型生物化学和生物机械纳米发电机 143
10.2.4 利用复合型电池来驱动一个纳米传感器 145
参考文献 146
第11章 自供能传感器与系统 147
11.1 白驱动系统的原理 147
11.2 纳米发电机的设计 149
11.3 使用超级电容器进行电荷存储 151
11.4 白驱动光传感器与系统 152
11.5 白驱动环境传感系统 155
参考文献 157
附录 王中林教授研究组2006~2011年间在纳米发电机和压电电子学领域发表的期刊论文 158
第1章 绪论
1.1 纳米器件的电源
在全球变暖和能源危机日益严峻的形式下，对于绿色可再生能源的探索成为维持人类文明可持续发展最为紧迫的挑战之一［1，2］。在宏观能源方面，除了当今世界正在使用的石油、煤、水力、天然气、核能等为大家所熟知的传统能源之外，人们也在积极地研究和开发一些可替代能源，如太阳能、地热、生物质能、核能、风能、氢气等。在更小的尺度范围，植入式生物传感器、超灵敏的化学和生物分子传感器、纳米机器人、微机电系统、远程移动环境传感器、国土安全乃至便携式或可穿着个人电子设备等供能器件的独立、持久、长时间免维护连续运行等都对能源技术提出了非常迫切的需求。参见图1.1。例如，纳米机器人将是一种可以感知环境、适应环境、操纵物体、采取行动并且完成一些复杂功能的智能机器，但是其中一项关键的挑战是如何找到一种电源在不增加太多重量的前提下驱动纳米机器人。又如，植入式无线生物传感器需要的电源是可以通过直接或间接地向电池充电来提供的。通常来说，电池的尺寸远大于纳米器件自身的尺寸，它决定了整个系统的大小。
在不远将来的研究将是如何把多功能纳米器件集成为一个纳米系统，使其像生物一样具有感知、控制、通信以及激励/响应功能。这种纳米系统不仅由纳米器件组成，还包括纳米电源（或纳米电池）。但是纳米电池小的尺寸极大地限制了它的使用寿命。无需电池的自驱动技术对于无线器件来说是非常值得期待的一种技术，对于植入式生物医学系统来说甚至是必需的一种技术，它不仅可以极大地提高器件的适应性，而且可以大幅度地减小系统的尺寸和重量。因此，开发一种可以从周围环境中收集能量来驱动纳米器件的自驱动纳米技术成为当务之急［3］。纳米技术的目标是建立一个自驱动的纳米系统，它具有超小的尺寸、超高的灵敏度、卓越的多功能性以及极低的功耗。因此，从周围环境中收集的能量足以为这一系统提供电源供应。
1.2 自驱动传感器网络和系统
纳米系统是多功能纳米器件的集成系统，具有感知、控制、通信和激励/响应等多种功能。系统的低功耗决定了可以从外界环境中收集能量来驱动这一纳米系统。对于那些独立、可持续工作、无需维护的植入式生物传感器、远程移动环境传感器、纳米机器人、微机电系统乃至便携式/可穿着个人电子器件来说，通常需要微瓦量级的功耗。参见图1.2。举例来说，纳米机器人可以感知适应环境、操控物体、采取行动并完成一些复杂的功能，但一个关键的问题是找到一种可以在不增加太多重量的情况下驱动纳米机器人的电源。同时，自驱动传感器对于远距离油/气输运线的监控来说也是必要的。
容错传感器网络利用诸如射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统（GPS）以及激光扫描仪等信息传感设备来将物体和互联网链接在一起，实现通信、识别、定位、追踪、监控和管理的功能，而自驱动传感器是容错传感器网络的核心构件。用大量独立移动传感器取代区域内散布的有限数量传统类型传感器后，通过互联网对这些大量传感器网络信号进行收集并统计分析后就可以得到准确可靠的信息。
物联网可以把日常的物体和器件与大的数据库和网络（如互联网）关联起来，是医疗保健、医疗监控、基础设施/环境监控、产品跟踪和智能住宅的未来希望。参见图1.3和图1.4。
但是，由于数量巨大以及环境和健康方面的原因，如果每个传感器都用一个电池为其供电，这种传感器网络将难以实现。参见图1.5。然而，一种可以从外界环境中收集能量的可持续、自供型微纳电源为传感器网络提供了一个可能的电源解决方案。不过，我们周围环境中可利用的机械能具有频率分布宽和振幅随时间变化的特点。这种能量称为“随机能量”，可以来源于不规则振动、轻微的空气流动、噪声以及人类活动。
无线传感器具有激活的工作模式，但更为重要的是，它还具有待机的工作模式，在这种待机模式下，传感器处于能量消耗最低的“休眠”状态。能量收集器所产生的电力可能不足以驱动一个器件连续工作，但它长时间所积累的电量足以驱动器件工作几秒钟。这在具有待机和激活工作模式的器件方面具有实际的用途，比如可以用于下列器件：葡萄糖和血压传感器乃至蓝牙传输器（驱动功率约5mW，数据传输速率约500kbits/s，功率消耗10nW/bit）等个人电子器件，它们只需要周期性地处于激活状态。器件待机时段内产生的能量可以为激活工作模式下驱动器件提供足够的电源供应。
1.3 机械能的收集
光伏、热电和电磁感应都是非常完善的能源转换技术，为什么我们还需要收集机械能呢？现在我们来考虑一下这些场合：单个传感器很难布置的情况（如敌方战场），或者如果传感器网络由分布于广大地区的大量节点构成，这使得在需要的时候进行电池更换变得不太可能。一个自维持的电源从环境中汲取能量，因而无需任何维护，这无疑是非常吸引人的。为了使得任何系统都能成为自维持的系统，系统必须能从其周围环境中收集能量，并且把这些收集的能量存储起来以备后用。
例如，纳米机器人将是一种可以感知适应环境、操控物体、采取行动并且完成复杂功能的一种智能机器，然而纳米机器人尚未解决的一个重要挑战是如何找到一种在不增加太多重量前提下可以驱动它的一个电源。如果想把纳米机器人放入体内执行传感、诊断以及治疗功能，人们很容易把它导入体内，但是要把它从体内取出来更换电池却很难，有时甚至是不可能的。在军事应用背景下，传感/监测节点的位置可能是在难以到达的地点，可能需要隐蔽，也可能会在脏乱、有雨、黑暗以及/或者茂密的森林环境中工作。因为光源在这些环境下不可获得，从而排除了使用太阳能技术的可能性。适用于解决这种问题的能源收集方法可能包括利用随机振动（例如公路附近的各种振动），利用温度梯度（例如地表以下通常是常温，地表与地下通常存在温度梯度），或者利用任何其他一些现象来提供能量的系统。因此，开发机械能收集的技术是非常必需的。
在我们生活的环境中存在大量的、各种类型的机械能，如微风、身体运动、肌肉拉伸、声波/超声波、噪声、机械振动以及血液流动，参见表1.1和表1.2。但什么类型的机械能是我们想要收集的呢？我们着眼于具有以下特点的一些机械能。首先，能量微弱，不能驱动传统的发电机，因此不能用传统的能量收集技术进行收集；其次，频率范围宽，大部分能量处于低频。这就需要一种可以从几赫兹的低频到几千赫兹相对高频的宽频率范围工作的能量收集技术。最后，环境状况可以改变。
这需要一种具有很高适应性的能量收集技术。针对具有上述特点的机械能，我们在过去七年里所研发的纳米发电机是一种非常有潜力的能量收集技术。
1.4 纳米发电机
我们于2006年首先提出了自驱动纳米技术，并且为自驱动系统研发了纳米发电机。这种纳米发电机利用压电氧化锌纳米线阵列把随机的机械能转化为电能。
纳米发电机的发电机制依赖于在外部应变下纳米线上产生的压电势：纳米线的动态应变使得外部负载电路中的电子在压电电势的驱动作用下发生瞬时的流动。利用纳米线的优势在于它们可以被微弱的物理运动激发，并且激发频率可以从一赫兹到几千赫兹，这对于收集环境中的随机能量来说是非常理想的。通过把几千根纳米线的发电输出集成起来，一个轻微的应变可以产生1.2V的电压，这足以驱动一个发光二极管和一个小型液晶显示器。
纳米发电机的发明，被中国科学院和中国工程院院士评为2006年度世界十大科技进展之一；2008年，基于纤维的纳米发电机被英国《物理世界》（PhysicsWorld）评选为物理领域重大进展之一；英国《新科学家》（NewScientist）期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一［4］；2009年，纳米压电电子学被麻省理工学院《科技创业》（MITTechnologyReview）评选为十大创新技术之一［5］；2010年，纳米发电机被《探索》（Discovery）杂志评为纳米技术领域的20项重大发明之一；2011年，纳米发电机被欧盟委员会评为六大未来新兴技术之一，将在下一个十年里受到资助［6］。
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