Введение к работе
Актуальность. Ключевые тенденции развития технологий на сегодняшний день заключаются в быстром росте персональной и мобильной электроники для приложений в области средств связи, здравоохранения и мониторинга окружающей среды. По отдельности потребляемая мощность такой электроники невелика, однако само количество таких устройств огромно. На текущий момент, питание электронных устройств до сих пор опирается на перезаряжаемые батареи и аккумуляторы.
Кроме увеличения срока службы и емкости всевозможных аккумуляторов и электрических батарей в последние годы большой интерес исследователей вызывают безотходные, экологически чистые способы получения электрической энергии из различных видов природных возобновляемых источников, таких как солнечный свет, ветер, приливы, геотермальная энергия и др. Такие источники являются мощными, практически неисчерпаемыми, но у них есть недостаток: они периодичны во времени или стационарны в пространстве (ветер не дует постоянно в одном месте, солнечного света нет ночью, геотермальная энергия доступна там, где существует вулканическая активность).
Однако, помимо столь относительно «мощных» источников энергии человечество окружает большое количество источников сопутствующей, «рассеянной» энергии. Одним из видов устройств, собирающих «рассеянную» энергию, являются наногенераторы -нанотехнологичные устройства, собирающие энергию какого-либо вида (механическую, тепловую, солнечную) с массива наноэлементов и преобразующие её в электрическую. Совмещая наногнератор с устройством накопления преобразованной энергии, мы получим так называемый "нанохарвестер" (от англ. "harvester" — комбайн, машина для уборки урожая), позволяющий собирать и накапливать «рассеянную» энергию для её последующей передачи и использования другими устройствами.
В настоящее время технологии получения нанохарвестеров не в достаточной мере изучены и находятся на начальной стадии разработок. Задачи, на решение которых направлена настоящая работа, занимают своё место в общей картине работ по разработке и исследованию подобных автономных пьезоэлектрических устройств.
Цель работы и задачи.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка подходов к созданию нанохарвестера, преобразующего механическую энергию в электрическую с помощью модифицированного массива пьезоэлектрических кристаллов ZnO.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать автономный, миниатюрный, маломощный нанохарвестер пьезоэлектрической энергии.
-
Проанализировать наноразмерные объекты и составляющие структуры нанохарвестера и предложить новые конструкции.
-
Изготовить тестовые образцы и исследовать их свойства, выявить закономерности и факторы, позволяющие получить наибольший качественный результат.
-
Предложить схему накопления энергии и модели процессов, протекающих при генерации заряда в массиве нанокристаллов.
Научная новизна.
В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие результаты:
-
Проведён анализ процессов, протекающих в массиве нанокристаллов оксида цинка при различных параметрах и направлениях механического воздействия на него. Обнаружен эффект генерации однополярного заряда на торце нанокристалла при одновременном его изгибании и сдавливании/растягивании с боковых сторон.
-
Экспериментально показано, что заполнение пространства между нанокристаллами ZnO твердым материалом с последующим их доращиванием позволяет существенно повысить выходные характеристики нанохарвестера пьезоэлектрической энергии.
-
Исследованы электрофизические характеристики нанохарвестера пьезоэлектрической энергии. Установлено, что разработанный нанохарвестер пьезоэлектрической энергии имеет переменный выходной сигнал, соответствующий используемым механическим колебаниям, в отличие от зарубежного аналога. Обоснована причина этого наблюдения.
-
Продемонстрировано, что управляя инертностью нанохарвестера можно настраивать прибор на нужный частотный
диапазон, что потенциально дает возможность его использования для преобразования механических колебаний от различных источников.
Практическая значимость работы.
Проведенная работа представляет следующую практическую значимость:
-
Разработан компактный и автономный нанохарвестер пьезоэлектрической энергии на основе массива нанокристаллов ZnO с заметно улучшенными выходными характеристиками, улучшенными условиями снятия заряда с электродов по сравнению с известными аналогами.
-
Разработана и экспериментально апробирована лабораторная технология изготовления нанохарвестера пьезоэлектрической энергии на основе массива нанокристаллов ZnO.
-
Предложены оригинальные конструкции нанохарвестера пьезоэлектрической энергии, дающие возможность использовать плоский верхний электрод и массив углеродных нанотрубок в качестве верхнего электрода, что позволяет отказаться от крайне трудоемкой операции сборки прибора.
Результаты диссертационной работы использованы в НИОКР "Разработка и изготовление экспериментального образца пьезоэлектрического генератора на основе нитевидных наноструктур".
Апробация работы.
Основные результаты работы и материалы диссертации были представлены на следующих семинарах, выставках и конкурсах научных работ: Всеукраинская с международным участием конференция молодых ученых «Химия, физика и технология поверхности», Киев, 2012; 2-я международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2012» (ICMNE-2012), Звенигород, 2012; 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012», Москва, 2012; Международная конференция "Energy harvesting and storage", Берлин, 2013; Конкурсный отбор лучших рацпредложений в сфере энергосбережения и энергоэффективности среди студентов и аспирантов "Энергоидея", Москва, 2013; Всероссийский конкурс научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых учёных МФТИ, Москва, 2012; 3-я Окружная научно-техническая
конференция молодых ученых и специалистов, Зеленоград, 2011; 2-я Международная конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике», Зеленоград, 2011; Конкурс НИР 6-й Всероссийской олимпиады по нанотехнологиям «Нанотехнологии -прорыв в будущее», Москва, 2012; 6-я Международная научная конференция «Функциональная база наноэлектроники», Харьков, 2013.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 работ, в том числе 6 статей в журналах из перечня ВАК, подана заявка на патент на изобретение.
Лично автору принадлежит участие в постановке и решении задач в соответствии с целью исследований: разработка конструкций нанохарвестеров, определение технологических параметров, при которых происходит генерация пьезоэлектрической энергии, изучение частотной динамики работы прибора, формулировка критериев выбора материала снимающего электрода, исследование модели генерации энергии, выполнение большей части экспериментов, анализе, интерпретации и суммировании результатов, формулировке научных положений и выводов, выносимых на защиту.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Конструкция нанохарвестера пьезоэлектрической энергии с заполнением свободного пространства между кристаллами непроводящим веществом.
-
Лабораторная технология изготовления нанохарвестера пьезоэлектрической энергии.
-
Результаты компьютерного моделирования процессов, протекающих в нанокристаллах ZnO в процессе их взаимодействия со снимающим электродом во время работы прибора.
-
Результаты исследований вибрационных и генерационных свойств нанохарвестеров. Результаты исследования деградации характеристик на воздухе.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх основных глав с выводами, заключения, списка использованных источников из 62 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 123 страницах, содержит 64 рисунка и 15 таблиц.
