يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

إعداد أكسيد الزنك Nanorod / الجرافين / أكسيد الزنك Nanorod الفوقي Heterostructure مزدوجة لPiezoelectrical Nanogenerator باستخدام التسخين الحرارية المائية

12.3K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/53491

⸱

يناير 15, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Nanoenergy Engineering, BK21 Plus Nanoconvergence Technology Division, Pusan National University (PNU), Miryang, 2Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University (PNU), Busan, 3SKKU Advanced Institute of Nanotechnology (SAINT), Center for Human Interface Nanotechnology (HINT), SKKU-Samsung Graphene Center, Sungkyunkwan University (SKKU)

في هذه المقالة

ملخص

وتقدم خطوة واحدة طريقة التصنيع للحصول قائما بذاته heterostructure مزدوج الفوقي. هذا النهج يمكن تحقيق تغطية أكسيد الزنك مع كثافة عدد أعلى من ذلك من heterostructure واحد الفوقي، مما أدى إلى nanogenerator كهرضغطية مع الأداء الكهربائي زيادة الانتاج.

الملخص

تم النانو أكسيد الزنك متماشية بشكل جيد دراسة مكثفة على مدى العقد الماضي عن الخصائص الفيزيائية المميزة وتطبيقات هائلة. هنا، نحن تصف تقنية تصنيع خطوة واحدة إلى التوليف قائما بذاته nanorod أكسيد الزنك / الجرافين / أكسيد الزنك nanorod heterostructure مزدوج. يتم تنفيذ إعداد heterostructure مزدوج باستخدام ترسيب الأبخرة الكيميائية الحرارية (الأمراض القلبية الوعائية) والتسخين تقنية المائية. بالإضافة إلى ذلك، تميزت الخصائص المورفولوجية باستخدام المجهر الإلكتروني (SEM). وتتجلى فائدة قائما بذاته heterostructure مزدوج من خلال افتعال وnanogenerator كهرضغطية. تم تحسين الإنتاج الكهربائي تصل إلى 200٪ مقارنة بما كان عليه من heterostructure واحد نظرا لتأثير اقتران الكهربائية الضغطية بين صفائف نانواعواد أكسيد الزنك على الجزء العلوي والسفلي من الجرافين. هذا heterostructure مزدوج فريد من نوعه لديها إمكانات هائلة للتطبيقات الكهربائية وoptoelectricalالأجهزة التي تحتاج إلى كثافة عدد عالية ومساحة محددة من nanorod، مثل استشعار الضغط، المناعية جهاز الاستشعار البيولوجي والخلايا الشمسية توعية الصبغة.

المقدمة

في الآونة الأخيرة، أصبحت الأجهزة الإلكترونية المحمولة ويمكن ارتداؤها عنصرا أساسيا لحياة مريحة نظرا لتطور تكنولوجيا النانو، والذي ينتج في مطالب هائلة لمصدر للطاقة في حدود الميكرواط إلى الواط. وقد تم تحقيق نهج كبيرة للمصدر قوة الأجهزة المحمولة ويمكن ارتداؤها من قبل الطاقة المتجددة، بما في ذلك 1،2 الطاقة الشمسية، والحرارية 3،4 و 5،6 مصدر الميكانيكية. nanogenerator كهرضغطية تم دراستها بشكل مكثف باعتباره واحدا من مرشح محتمل لجهاز حصاد الطاقة من البيئات، مثل سرقة أوراق 7، موجة الصوت 8 وحركة إنسان 9. المبدأ الأساسي الذي يقوم عليه nanogenerator هو اقتران بين المواد كهرضغطية المحتملة وعازلة كحاجز. إمكانية كهرضغطية ولدت في المواد المتوترة يستحث تيار عابر التي تتدفق من خلال تنظيم التأمين الخارجيأويت، الذي يوازن بين الإمكانيات في واجهة بين إجهادي ومواد عازلة. سيتحسن أداء nanogenerator باستخدام البنية النانوية المواد كهرضغطية نظرا لمتانة في ظل متانة تحت الضغوط العالية والاستجابة لتشوه صغير 10.

أحادية البعد أكسيد الزنك النانوية هو عنصر واعد للمواد كهرضغطية في nanogenerator بسبب خصائصه جذابة، على سبيل المثال، الضغطية العالية (26.7 م / V) 11، والشفافية البصرية 12، والتوليف سطحي باستخدام عملية كيميائية 13. نهج المائية لزراعة nanorod أكسيد الزنك الانحياز جيدا يتلقى اهتماما كبيرا نظرا لانخفاض التكلفة، والتوليف صديقة للبيئة وإمكانات لسهولة توسيع نطاق. وعلاوة على ذلك، فإن تقنية المائية التسخين يمكن التحكم بسهولة في حالة تجريبية، مما أدى إلى العديد من أنواع النانو جديدة، مثل nanoleaves 14،nanoflowers 15 و 16 نانوتيوب. والنانو جديدة تتيح لها تأثير مفيد على أداء الأجهزة الكهربائية وoptoelectric أينما طالب مساحة محددة عالية من المواد.

في هذا البروتوكول، ونحن تصف الإجراءات التجريبية لتخليق المزيد من رواية البنية النانوية (أي قائما بذاته heterostructure مزدوج). نمو أكسيد الزنك nanorod في واجهة بين الجرافين والبولي اثيلين (PET) الركيزة يؤدي إلى وnanorod أكسيد الزنك / heterostructure واحد الجرافين لرفع الذاتي، مما أسفر عن وheterostructure مزدوج قائما بذاته. علاوة على ذلك، أظهرت تطبيق عمليا من هذه البنية النانوية فريدة من نوعها للأجهزة الإلكترونية وoptoelectric بواسطة افتعال nanogenerator كهرضغطية. يوفر heterostructure مزدوج قائما بذاته ليس فقط مساحة محددة عالية ولكن أيضا كثافة عدد عالية من nanorod في منطقة معينة. هذه البنية النانوية فريدة من نوعها لديها امكانات هائلةالاتحاد العالمي للتعليم لتطبيقات الأجهزة الكهربائية وoptoelectrical، مثل استشعار الضغط، المناعية جهاز الاستشعار البيولوجي والخلايا الشمسية توعية صبغ.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) نمو احدة الطبقات الجرافين

وقد نمت الجرافين المستخدمة في هذه الدراسة على النحاس (النحاس) احباط باستخدام ترسيب الأبخرة الكيميائية الحرارية (الأمراض القلبية الوعائية) تقنية (الشكل 1A): مذكرة. نمو موحد على مساحة 2 سم × 10 سم لهذا النظام.

  1. غسل رقائق النحاس (2 سم × 10 سم) مع تدفق خفيف من الأسيتون والكحول الآيزوبروبيل (IPA) والماء المقطر، على التوالي.
  2. ضع النحاس احباط تنظيفها في 2 في. أنبوب الكوارتز (الشكل 1B)، ثم تطهير الغرفة مع الفراغ (حوالي 1 mTorr) لمدة 10 دقيقة باستخدام مضخة دوارة.
  3. تكوين درجة حرارة الفرن المدجتلين وتكثيف الفرن إلى 995 درجة مئوية، مع الحفاظ على معدلات التدفق المطلوب (100 SCCM لالأرجون و 50 SCCM للهيدروجين) (الشكل 1C).
  4. إدخال 20 SCCM الميثان (CH 4) لمدة 10 دقيقة لزراعة الجرافين الطبقات واحد. الحفاظ على SC 80سم من الأرجون و20 SCCM من الإنتاجية الهيدروجين العملية.
  5. السماح الفرن ليبرد لRT ضمن 5 دقائق مع معدلات التدفق المحدد في الخطوة 1.4. تطهير الغرفة مرة أخرى مع الأرجون في 100 SCCM.

2. إعداد الجرافين / البولي ايثيلين تيريفثاليت (PET) الركيزة

  1. وضع الجرافين نمت النحاس احباط (1.5 سم × 2 سم) على شريحة زجاجية، وتحديد حواف بواسطة شريط التجاري (الشكل 2A).
  2. تدور معطف طبقة من بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) في 500 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثوانى ثم 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية (Figure2B). ثم، خبز PMMA المغلفة النحاس احباط الركيزة عند 60 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة لإزالة بقايا المذيبات.
  3. الزهر والنحاس احباط PMMA المغلفة إلى أصغر قطعة 1 سم × 1.5 باستخدام شفرة حلاقة.
  4. تزج PMMA المغلفة احباط النحاس إلى ني خزان منمش (أكثر من 500 مل) عن طريق وضع رقائق النحاس أسفل الوجه لمدة 30 دقيقة. هذا يترك PMMA / طبقة الجرافين على حل منمش العائمة ( الشكل 2C). قطعة من PMMA المغلفة النحاس احباط ما يكفي للتجربة إلى الأمام.
  5. سكوب PMMA / الجرافين طبقة حتى على شريحة زجاجية، ثم تزج PMMA طبقة / الجرافين في خزان للمياه DI. كرر مرتين. وأخيرا، مغرفة PMMA / الجرافين طبقة حتى على PET الركيزة (الشكل 2D)، ثم خبز الركيزة في 105 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة لإزالة بقايا الماء.
  6. إزالة طبقة PMMA عن طريق غمس في الأسيتون دافئ (60 درجة مئوية) لمدة 10 دقيقة.

3. توليف أكسيد الزنك Nanorod / الجرافين / أكسيد الزنك Nanorod الفوقي مزدوجة Heterostructure

  1. بادئ ذي بدء تسخين حل السلائف مع 40 ملي نترات الزنك هيكساهيدرات، 40 ملي hexamethylenetetramine (همت) و 9 polyethylenimine ملي (PEI) في المياه DI لمدة 60 دقيقة في درجة حرارة 95 درجة مئوية في الفرن الحراري (الشكل 3A). وهي عملية التسخين.
  2. بينما عملية التسخين، وتغطي بالكامل الحل مع 5 ملي الزنك خلات في الإيثانول على الركيزة وتدور معطف طبقة من زينج خلات على الركيزة الجرافين / PET في 500 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثوانى ثم 2000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية (الشكل 3B والشكل 3C). ثم، خبز الركيزة على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. كرر مرتين. سمك طبقة ما يقرب من 30 نانومتر.
  3. تزج الجرافين / PET الركيزة المغلفة البذور إلى حل محمى من خلال وضع وجه الركيزة أسفل في 95 ° C (الشكل 3D). تحديد الوقت التدفئة للالبنية النانوية المطلوب، أي heterostructure واحد (ر <12 ساعة، الشكل 3E) وheterostructure مزدوج (ر> 12 ساعة، الشكل 3F).
  4. رش بعناية الإيثانول على الركيزة وجففها في RT لمدة 1 ساعة.
    ملاحظة: لمسح المجهر الإلكتروني (SEM)، الزهر العينة إلى أصغر قطعة 5 مم × 5 مم باستخدام شفرة حلاقة وجبل العينة على خشبة المسرح SEM.

4. تصنيع إجهادي Nanogenerator

ملاحظة: NANOG كهرضغطيةenerator في هذه الدراسة لديها الأقطاب الثلاثة (العليا والمتوسطة، أسفل). استخدام أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) المغلفة PET كما القطب السفلي (الشكل 4A).

  1. معطف تدور طبقة من polydimethylsiloxane (PDMS) في 500 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثوانى ثم 6000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية لتشكيل طبقة عازلة بين ايتو وأكسيد الزنك nanorod (الشكل 4B). سمك طبقة ما يقرب من 3 ميكرون.
  2. علاج تماما الركيزة في 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة في الفرن الحراري.
  3. نقل الجرافين لPDMS مغلفة الركيزة ايتو / PET باستخدام الأسلوب في القسم 2 (الشكل 4C).
  4. توليف heterostructure مزدوج على الركيزة باستخدام الأسلوب في القسم 3 (الشكل 4D).
  5. تدور معطف طبقة من PDMS في 500 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثوانى ثم 5000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية لتحسين قوة ومتانة من nanorod أكسيد الزنك، ومن ثم علاج بشكل كامل في 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة (الشكل 4E). سمك طبقةما يقرب من 8 ميكرون.
  6. تغطية الركيزة مع ايتو المغلفة PET كما رأس القطب (الشكل 4F).

إعداد القياس 5. الأداء الكهربائية

ملاحظة: أنشأنا معدات مصنوعة خصيصا لتوصيف الأداء الكهربائي باستخدام المحرك الخطي، على نطاق تجاري والذبذبات. بناء إطار لدعم عموديا المحرك الخطي ووضع نطاق تجاري تحت المحرك الخطي كما هو مبين في الشكل 5A. يجب أن يكون مقياس حساس لوزن صغير (0.02 كجم - 20 كجم).

  1. وضع nanogenerator على نطاق و، ثم قم بتوصيل أقطاب كهربائية من nanogenerator لاستشعار تحقيقات من الذبذبات (5A الشكل و5B).
  2. إعداد المواقف الأولية والنهائية وسرعة المحرك الخطي في حين رصد دقيق لوزن في الجدول.
    نصيحة: تكوين الموقف المبدئي حيث يتم الاتصال nanogenerator قليلا مع قياس آثافةالإعداد ement. سرعة المحرك الخطي يحدد معدل الضغط.
  3. بدء تشغيل المحرك الخطي ورصد إشارة الجهد مع مرور الوقت. حفظ إشارة الجهد المعتمدة على الزمن في ذاكرة فلاش. معدل الضغط: 100 ملم / ثانية وتحميل تطبيق: 50 N.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

والمجهر الإلكتروني (SEM) الصور المبينة في الشكل 6 الحاضر والأشكال التضاريسية من نانواعواد أكسيد الزنك نمت المياه الحارة. تقنية التسخين الحراري المائي يمكن أن يؤدي إلى اثنين النانو المختلفة اعتمادا على الوقت النمو. الشكل 6A يظهر صورة نموذجية من أكسيد الزنك nanorod على الجرافين / PET الركيزة في الوقت نمو 5 ساعة. في المقابل، فإن الصورة هو مبين في الشكل 6B تشير إلى أن ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

يرجى ملاحظة أن جودة عالية (> 99.8٪، صلب) من النحاس احباط ينبغي أن تعتبر ركيزة للنمو الناجح لالجرافين طبقة واحدة. خلاف ذلك، لا تزرع الجرافين طبقة واحدة بشكل موحد على رقائق النحاس، مما أدى إلى انخفاض كبير في التوصيل من الجرافين. ومن شأن الصلب 1 ساعة في درجة حرارة عالية تساعد في تحسين احباط التبلور النحاس وكذلك إزالة أي ملوثات من رقائق النحاس.

نمو أكسيد الزنك nanorod يعتمد على شروط التسخين الحراري المائي، وبالتال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من خلال منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) بتمويل من الحكومة الكورية (MSIP) (رقم 2014R1A2A1A11051146). تم دعم هذا العمل أيضا من قبل منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية بتمويل من الحكومة الكورية (NRF-2014R1A1A2058350).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق النحاسAlfa Aesar13382
بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA)ألدريتش182230
نترات الزنك سداسي هيدراتسيجما ألدريتش228732
هيكساميثيلين تيترامين (HMT)سيجما ألدريتش398160
بولي إيثيلينيمين (PEI)سيجما ألدريتش408719
قصدير الإنديوم أكسيد (ITO) المغلفة PETAldrich639303
سيليكون المطاط الصناعي كيتداو كورنينجسيلجارد 184 أ ، ب
النيكل الحفر Type1شركة ترانسين41212

المراجع

  1. Lee, S., Lee, Y., Park, J., Choi, D. Stitchable organic photovoltaic cells with textile electrodes. Nano Energy. 9, 88-93 (2014).
  2. Pan, S., et al. Wearable solar cells by stacking textile electrodes. Angew. Chem.-Int. Edit. 53, 6110-6114 (2014).
  3. Yang, Y., et al. Pyroelectric nanogenerators for harvesting thermoelectric energy. Nano Lett. 12, 2833-2838 (2012).
  4. Lee, J. H., et al. Highly stretchable piezoelectric-pyroelectric hybrid nanogenerator. Adv. Mater. 26, 765-769 (2014).
  5. Zhong, J., et al. Finger typing driven triboelectric nanogenerator and its use for instantaneously lighting up LEDs. Nano Energy. 2, 491-497 (2013).
  6. Tang, W., Han, C. B., Zhang, C., Wang, Z. L. Cover-sheet-based nanogenerator for charging mobile electronics using low-frequency body motion/vibration. Nano Energy. 9, 121-127 (2014).
  7. Li, S., Yuan, J., Lipson, H. Ambient wind energy harvesting using cross-flow fluttering. J. Appl. Phys. 109, 026104(2011).
  8. Cha, S. N., et al. Sound-driven piezoelectric nanowire-based nanogenerators. Adv. Mater. 22, 4726-4730 (2010).
  9. Bai, P., et al. Integrated multilayered triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy from human motions. ACS Nano. 7, 3713-3719 (2013).
  10. Xu, S., Wang, Z. L. One-dimensional ZnO nanostructures: Solution growth and functional properties. Nano Res. 4, 1013-1098 (2011).
  11. Zhao, M. -H., Wang, Z. -L., Mao, S. X. Piezoelectric characterization of individual zinc oxide nanobelt probed by piezoresponse force microscope. Nano Lett. 4, 587-590 (2004).
  12. Nam, G. -H., Baek, S. -H., Cho, C. -H., Park, I. -K. A flexible and transparent graphene/ZnO nanorod hybrid structure fabricated by exfoliating a graphite substrate. Nanoscale. 6, 11653-11658 (2014).
  13. Zou, X., Fan, H., Tian, Y., Yan, S. Facile hydrothermal synthesis of large scale ZnO nanorod arrays and their growth mechanism. Mater. Lett. 107, 269-272 (2013).
  14. Qiu, J., et al. Single-crystalline twinned ZnO nanoleaf structure via a facile hydrothermal process. J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 2175-2184 (2011).
  15. Qiu, J., et al. Synthesis and characterization of flower-like bundles of ZnO nanosheets by a surfactant-free hydrothermal process. J. Nanomater. 2014, 281461(2014).
  16. Sun, Y., Riley, D. J., Ashfold, M. N. R. Mechanism of ZnO nanotube growth by hydrothermal methods on ZnO Film-coated Si substrates. J. Phys. Chem. B. 110, 15186-15192 (2006).
  17. Qiu, J., et al. The growth mechanism and optical properties of ultralong ZnO nanorod arrays with a high aspect ratio by a preheating hydrothermal method. Nanotechnology. 20, 155603(2009).
  18. Qiu, J., et al. Solution-derived 40 µm vertically aligned ZnO nanowire arrays as photoelectrodes in dye-sensitized solar cells. Nanotechnology. 21, 195602(2010).
  19. Shin, D. -M., et al. Freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod epitaxial double heterostructure for improved piezoelectric nanogenerators. Nano Energy. 12, 268-277 (2015).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

بنية غرافين غير متجانسةالترسيب الكيميائي للبخار الحراريمولد نانوي كهرضغطيالمجهر الإلكتروني الماسحنترات الزنك سداسية الهيدراتمحلول أسيتات الزنكطبقة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسانأكسيد القصدير المطعّم بالإنديوم
إعداد أكسيد الزنك Nanorod / الجرافين / أكسيد الزنك Nanorod الفوقي Heterostructure مزدوجة لPiezoelectrical Nanogenerator باستخدام التسخين الحرارية المائية
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.