自驅動系統(tǒng)中的納米發(fā)電機

內容概要

我們生活的環(huán)境中充滿了各種各樣的能量，例如振動能、形變能、肌肉活動能、化學能、生物能、微風能、太陽能、熱能等。如果利用納米技術可以把這些無時不有處處有的能量轉換為電能來帶動一些小型的電子器件，就可以制造出自驅動的微納系統(tǒng)。為了解決這個納米技術中的瓶頸問題，2006年王中林小組成功地在納米尺度范圍內將機械能轉換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機——納米發(fā)電機，并提出自驅動納米技術的新思想。之后，世界上掀起了能量收集技術研究的熱潮。過去的七年間，作者研究組在這一研究領域系統(tǒng)發(fā)表了一系列相關論文。為了給出一個關于納米發(fā)電機發(fā)展的全面并且連貫的回顧與闡釋，作者編寫了這部專著，本書涵蓋了這方面的基本理論、機理研究、工程放大以及納米發(fā)電機的潛在應用。
全書共11章，內容系統(tǒng)、深入淺出、圖文并茂，適合納米科技領域及相關專業(yè)的廣大科研工作者、大專院校師生參考閱讀。

作者簡介

王中林博士是佐治亞理工學院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所（籌）首席科學家。他是中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。王教授榮獲了美國顯微鏡學會1999年巴頓獎章，佐治亞理工學院2000年和2005年杰出研究獎，2001年S.T.Li獎（美國），2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料研究學會獎章（MRS Medal）。王教授是美國物理學會會士（fellow），美國科學發(fā)展協(xié)會（AAAS）會士，美國材料研究學會會士，美國顯微鏡學會會士。王教授在氧化物納米帶與納米線的合成、表征與基本物理性質的理解；納米線在能源科學、電子學、光電子學和生物學方面的應用等方面做出了原創(chuàng)性的貢獻。他對于納米發(fā)電機的發(fā)明及在該領域發(fā)展過程中所取得的突破性進展為從環(huán)境和生物系統(tǒng)中收集機械能給個人電子器件供電這一思想提供了基本原理和技術路線圖。他關于自驅動納米系統(tǒng)的研究激發(fā)了世界學術界和工業(yè)界對于微納系統(tǒng)電源問題的廣泛研究，這已成為能源研究與未來傳感器網絡研究中的特色學科。通過在新型的電子器件和光電子器件中引入壓電勢控制的電荷傳輸過程，他開創(chuàng)了壓電電子學和壓電光電子學學科并引領其發(fā)展，這在智能微機電系統(tǒng)或納機電系統(tǒng)、納米機器人、人與電子器件的交互界面以及傳感器方面具有重要的應用。王教授的著作已被引用超過50 000次，其論文被引用的h因子（h-index）是108。

書籍目錄

《納米科學與技術》叢書序中文版序第1章 緒論1.1 納米器件的電源1.2 自驅動傳感器網絡和系統(tǒng)1.3 機械能的收集1.4 納米發(fā)電機參考文獻第2章 納米發(fā)電機的基礎材料2.1 氧化鋅的晶體結構2.2 氣-固-固法生長納米線/納米帶2.3 氣-液-固方法生長納米線陣列2.4 脈沖激光沉積法制備納米線陣列2.5 化學法生長納米線陣列2.5.1 基本方法2.5.2 垂直曲線納米線陣列的圖案化生長2.5.3 柔性基底上氧化鋅納米線的生長2.5.4 超細纖維上生長氧化鋅納米線陣列2.5.5 水平一致取向納米線陣列的圖案化生長2.6 激光圖案化法生長晶圓級規(guī)模的納米線陣列2.7 織構化氧化鋅薄膜參考文獻第3章 壓電和壓電勢3.1 控制方程3.2 前三階微擾理論3.3 垂直納米線的解析解3.4 橫向彎曲納米線的壓電勢3.5 橫向彎曲納米線的壓電勢測量3.6 軸向應變納米線的壓電勢3.7 摻雜半導體納米線的平衡電勢3.7.1 理論框架3.7.2 考慮摻雜情況下壓電勢的計算3.7.3 摻雜濃度的影響3.7.4 載流子類型的影響參考文獻第4章 納米發(fā)電機的工作原理4.1 垂直一致取向納米線構成的納米發(fā)電機4.1.1 壓電納米發(fā)電機的概念4.1.2 電極-納米線界面處的肖特基勢壘4.1.3 電荷的產生和輸出過程4.1.4 n型材料納米發(fā)電機的原理4.2 p型材料納米發(fā)電機4.2.1 輸出信號的性質4.2.2 p型和n型納米線的檢驗標準4.3 基于其他纖鋅礦結構納米線的納米發(fā)電機4.4 基于橫向固定納米線的納米發(fā)電機4.4.1 基本設計4.4.2 輸出測量4.4.3 納米發(fā)電機的原理4.4.4 線性連接4.4.5 能量轉換效率4.4.6 收集生物機械能參考文獻第5章 納米發(fā)電機輸出信號的表征5.1 輸出電流5.2 輸出電壓5.3 總結參考文獻第6章 基于垂直納米線陣列的高輸出納米發(fā)電機6.1 超聲驅動納米發(fā)電機6.1.1 為何采用鋸齒形電極?6.1.2 工作機理6.1.3 納米發(fā)電機在50kHz超聲波作用下的輸出6.2 集成的納米尖-納米線相向排列方法6.2.1 制備方法6.2.2 工作機理6.2.3 提高性能6.3 端部穩(wěn)固連接的集成化納米發(fā)電機6.3.1 結構設計6.3.2 工作原理6.3.3 增強的輸出信號6.3.4 自驅動納米傳感器參考文獻第7章 基于橫向納米線陣列的高輸出納米發(fā)電機7.1 橫向集成納米發(fā)電機7.1.1 器件制備7.1.2 輸出測量7.2 柔性高輸出納米發(fā)電機7.2.1 原理和制備7.2.2 輸出測量7.2.3 發(fā)電量的存儲7.3 驅動一個發(fā)光二極管參考文獻第8章 基于非接觸納米線的高輸出納米發(fā)電機8.1 基本設計8.2 工作機理8.3 常規(guī)輸出8.4 利用納米發(fā)電機來驅動傳統(tǒng)電子器件8.5 小結參考文獻第9章 基于纖維的納米發(fā)電機9.1 微纖維-納米線復合結構9.1.1 結構制備9.1.2 纖維納米發(fā)電機的制備9.1.3 工作機理9.1.4 輸出測量9.1.5 性能提高9.1.6 小結9.2 壓力驅動的柔性纖維納米發(fā)電機9.2.1 纖維上徑向織構氧化鋅薄膜的生長9.2.2 纖維納米發(fā)電機的工作原理9.2.3 空氣壓力驅動的纖維納米發(fā)電機9.2.4 呼吸驅動的納米發(fā)電機/傳感器9.2.5 作為壓力傳感器的手腕脈搏驅動納米發(fā)電機9.2.6 小結參考文獻第10章 收集多種類型能量的復合電池10.1 收集太陽能和機械能的復合電池10.1.1 結構設計10.1.2 工作機理10.1.3 輸出表征10.2 同時收集生物機械能和生物化學能的復合電池10.2.1 基于PVDF納米發(fā)電機10.2.2 利用生物燃料電池來收集生物化學能10.2.3 復合型生物化學和生物機械納米發(fā)電機10.2.4 利用復合型電池來驅動一個納米傳感器參考文獻第11章 自供能傳感器與系統(tǒng)11.1 自驅動系統(tǒng)的原理11.2 納米發(fā)電機的設計11.3 使用超級電容器進行電荷存儲11.4 自驅動光傳感器與系統(tǒng)11.5 自驅動環(huán)境傳感系統(tǒng)參考文獻附錄 王中林教授研究組2006~2011年間在納米發(fā)電機和壓電電子學領域發(fā)表的期刊論文

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