自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的納米發(fā)電機(jī)

內(nèi)容概要

我們生活的環(huán)境中充滿(mǎn)了各種各樣的能量，例如振動(dòng)能、形變能、肌肉活動(dòng)能、化學(xué)能、生物能、微風(fēng)能、太陽(yáng)能、熱能等。如果利用納米技術(shù)可以把這些無(wú)時(shí)不有處處有的能量轉(zhuǎn)換為電能來(lái)帶動(dòng)一些小型的電子器件，就可以制造出自驅(qū)動(dòng)的微納系統(tǒng)。為了解決這個(gè)納米技術(shù)中的瓶頸問(wèn)題，2006年王中林小組成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機(jī)——納米發(fā)電機(jī)，并提出自驅(qū)動(dòng)納米技術(shù)的新思想。之后，世界上掀起了能量收集技術(shù)研究的熱潮。過(guò)去的七年間，作者研究組在這一研究領(lǐng)域系統(tǒng)發(fā)表了一系列相關(guān)論文。為了給出一個(gè)關(guān)于納米發(fā)電機(jī)發(fā)展的全面并且連貫的回顧與闡釋?zhuān)髡呔帉?xiě)了這部專(zhuān)著，本書(shū)涵蓋了這方面的基本理論、機(jī)理研究、工程放大以及納米發(fā)電機(jī)的潛在應(yīng)用。
全書(shū)共11章，內(nèi)容系統(tǒng)、深入淺出、圖文并茂，適合納米科技領(lǐng)域及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的廣大科研工作者、大專(zhuān)院校師生參考閱讀。

作者簡(jiǎn)介

王中林博士是佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所（籌）首席科學(xué)家。他是中國(guó)科學(xué)院外籍院士和歐洲科學(xué)院院士。王教授榮獲了美國(guó)顯微鏡學(xué)會(huì)1999年巴頓獎(jiǎng)?wù)?，佐治亞理工學(xué)院2000年和2005年杰出研究獎(jiǎng)，2001年S.T.Li獎(jiǎng)（美國(guó)），2009年美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)Purdy獎(jiǎng)，2011年美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)拢∕RS Medal）。王教授是美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士（fellow），美國(guó)科學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)（AAAS）會(huì)士，美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士，美國(guó)顯微鏡學(xué)會(huì)會(huì)士。王教授在氧化物納米帶與納米線(xiàn)的合成、表征與基本物理性質(zhì)的理解；納米線(xiàn)在能源科學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)和生物學(xué)方面的應(yīng)用等方面做出了原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他對(duì)于納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明及在該領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中所取得的突破性進(jìn)展為從環(huán)境和生物系統(tǒng)中收集機(jī)械能給個(gè)人電子器件供電這一思想提供了基本原理和技術(shù)路線(xiàn)圖。他關(guān)于自驅(qū)動(dòng)納米系統(tǒng)的研究激發(fā)了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)于微納系統(tǒng)電源問(wèn)題的廣泛研究，這已成為能源研究與未來(lái)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的特色學(xué)科。通過(guò)在新型的電子器件和光電子器件中引入壓電勢(shì)控制的電荷傳輸過(guò)程，他開(kāi)創(chuàng)了壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)學(xué)科并引領(lǐng)其發(fā)展，這在智能微機(jī)電系統(tǒng)或納機(jī)電系統(tǒng)、納米機(jī)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(yīng)用。王教授的著作已被引用超過(guò)50 000次，其論文被引用的h因子（h-index）是108。

書(shū)籍目錄

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書(shū)序中文版序第1章 緒論1.1 納米器件的電源1.2 自驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)1.3 機(jī)械能的收集1.4 納米發(fā)電機(jī)參考文獻(xiàn)第2章 納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)材料2.1 氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)2.2 氣-固-固法生長(zhǎng)納米線(xiàn)/納米帶2.3 氣-液-固方法生長(zhǎng)納米線(xiàn)陣列2.4 脈沖激光沉積法制備納米線(xiàn)陣列2.5 化學(xué)法生長(zhǎng)納米線(xiàn)陣列2.5.1 基本方法2.5.2 垂直曲線(xiàn)納米線(xiàn)陣列的圖案化生長(zhǎng)2.5.3 柔性基底上氧化鋅納米線(xiàn)的生長(zhǎng)2.5.4 超細(xì)纖維上生長(zhǎng)氧化鋅納米線(xiàn)陣列2.5.5 水平一致取向納米線(xiàn)陣列的圖案化生長(zhǎng)2.6 激光圖案化法生長(zhǎng)晶圓級(jí)規(guī)模的納米線(xiàn)陣列2.7 織構(gòu)化氧化鋅薄膜參考文獻(xiàn)第3章 壓電和壓電勢(shì)3.1 控制方程3.2 前三階微擾理論3.3 垂直納米線(xiàn)的解析解3.4 橫向彎曲納米線(xiàn)的壓電勢(shì)3.5 橫向彎曲納米線(xiàn)的壓電勢(shì)測(cè)量3.6 軸向應(yīng)變納米線(xiàn)的壓電勢(shì)3.7 摻雜半導(dǎo)體納米線(xiàn)的平衡電勢(shì)3.7.1 理論框架3.7.2 考慮摻雜情況下壓電勢(shì)的計(jì)算3.7.3 摻雜濃度的影響3.7.4 載流子類(lèi)型的影響參考文獻(xiàn)第4章 納米發(fā)電機(jī)的工作原理4.1 垂直一致取向納米線(xiàn)構(gòu)成的納米發(fā)電機(jī)4.1.1 壓電納米發(fā)電機(jī)的概念4.1.2 電極-納米線(xiàn)界面處的肖特基勢(shì)壘4.1.3 電荷的產(chǎn)生和輸出過(guò)程4.1.4 n型材料納米發(fā)電機(jī)的原理4.2 p型材料納米發(fā)電機(jī)4.2.1 輸出信號(hào)的性質(zhì)4.2.2 p型和n型納米線(xiàn)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)4.3 基于其他纖鋅礦結(jié)構(gòu)納米線(xiàn)的納米發(fā)電機(jī)4.4 基于橫向固定納米線(xiàn)的納米發(fā)電機(jī)4.4.1 基本設(shè)計(jì)4.4.2 輸出測(cè)量4.4.3 納米發(fā)電機(jī)的原理4.4.4 線(xiàn)性連接4.4.5 能量轉(zhuǎn)換效率4.4.6 收集生物機(jī)械能參考文獻(xiàn)第5章 納米發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)的表征5.1 輸出電流5.2 輸出電壓5.3 總結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 基于垂直納米線(xiàn)陣列的高輸出納米發(fā)電機(jī)6.1 超聲驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)6.1.1 為何采用鋸齒形電極?6.1.2 工作機(jī)理6.1.3 納米發(fā)電機(jī)在50kHz超聲波作用下的輸出6.2 集成的納米尖-納米線(xiàn)相向排列方法6.2.1 制備方法6.2.2 工作機(jī)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(jī)6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.3.2 工作原理6.3.3 增強(qiáng)的輸出信號(hào)6.3.4 自驅(qū)動(dòng)納米傳感器參考文獻(xiàn)第7章 基于橫向納米線(xiàn)陣列的高輸出納米發(fā)電機(jī)7.1 橫向集成納米發(fā)電機(jī)7.1.1 器件制備7.1.2 輸出測(cè)量7.2 柔性高輸出納米發(fā)電機(jī)7.2.1 原理和制備7.2.2 輸出測(cè)量7.2.3 發(fā)電量的存儲(chǔ)7.3 驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管參考文獻(xiàn)第8章 基于非接觸納米線(xiàn)的高輸出納米發(fā)電機(jī)8.1 基本設(shè)計(jì)8.2 工作機(jī)理8.3 常規(guī)輸出8.4 利用納米發(fā)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)電子器件8.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第9章 基于纖維的納米發(fā)電機(jī)9.1 微纖維-納米線(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)9.1.1 結(jié)構(gòu)制備9.1.2 纖維納米發(fā)電機(jī)的制備9.1.3 工作機(jī)理9.1.4 輸出測(cè)量9.1.5 性能提高9.1.6 小結(jié)9.2 壓力驅(qū)動(dòng)的柔性纖維納米發(fā)電機(jī)9.2.1 纖維上徑向織構(gòu)氧化鋅薄膜的生長(zhǎng)9.2.2 纖維納米發(fā)電機(jī)的工作原理9.2.3 空氣壓力驅(qū)動(dòng)的纖維納米發(fā)電機(jī)9.2.4 呼吸驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)/傳感器9.2.5 作為壓力傳感器的手腕脈搏驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)9.2.6 小結(jié)參考文獻(xiàn)第10章 收集多種類(lèi)型能量的復(fù)合電池10.1 收集太陽(yáng)能和機(jī)械能的復(fù)合電池10.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10.1.2 工作機(jī)理10.1.3 輸出表征10.2 同時(shí)收集生物機(jī)械能和生物化學(xué)能的復(fù)合電池10.2.1 基于PVDF納米發(fā)電機(jī)10.2.2 利用生物燃料電池來(lái)收集生物化學(xué)能10.2.3 復(fù)合型生物化學(xué)和生物機(jī)械納米發(fā)電機(jī)10.2.4 利用復(fù)合型電池來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)納米傳感器參考文獻(xiàn)第11章 自供能傳感器與系統(tǒng)11.1 自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理11.2 納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)11.3 使用超級(jí)電容器進(jìn)行電荷存儲(chǔ)11.4 自驅(qū)動(dòng)光傳感器與系統(tǒng)11.5 自驅(qū)動(dòng)環(huán)境傳感系統(tǒng)參考文獻(xiàn)附錄 王中林教授研究組2006~2011年間在納米發(fā)電機(jī)和壓電電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)表的期刊論文

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