科學(xué)家們一直在尋找生產(chǎn)和收集能量的新方法。這只會隨著對能源需求的增加而增加，這將隨著全球當(dāng)前人口和技術(shù)的增長而發(fā)生。雖然大多數(shù)科學(xué)家都關(guān)心大量能量的產(chǎn)生和提高現(xiàn)有設(shè)備的效率，以便從自然界中收集更多的能量，但納米技術(shù)界正在越來越多地創(chuàng)造收集少量能量的納米級設(shè)備。許多人可能會問這種小型能量收集設(shè)備有什么意義，但它們具有在小型和遠(yuǎn)程設(shè)備中執(zhí)行自供電操作的巨大潛力，例如用于健康監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、無線傳輸、傳感器、

什么是納米發(fā)電機(jī)以及它們?nèi)绾伟l(fā)電？

簡短的回答是，它們是通過納米發(fā)電機(jī)內(nèi)部的物理變化將機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。納米發(fā)電機(jī)主要分為三種類型：

壓電式

摩擦電

熱釋電

內(nèi)部結(jié)構(gòu)和能量收集機(jī)制因納米發(fā)電機(jī)而異。因此，要了解它們的工作原理，我們需要逐一查看。

壓電納米發(fā)電機(jī)

壓電納米發(fā)電機(jī)使用可以表現(xiàn)出壓電效應(yīng)的材料將動能轉(zhuǎn)化為電能，即在機(jī)械應(yīng)力和/或變形下產(chǎn)生電荷。這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)配置可以非常多樣化，具體取決于所使用的材料。從采用纖鋅礦或閃鋅礦晶格確認(rèn)的固態(tài)材料到鈣鈦礦材料和某些聚合物，可以使用許多不同類型的材料。這些材料以納米線形式制造，然后在金屬層頂部垂直或橫向?qū)嵤┮詣?chuàng)建肖特基接觸。一些納米線也可以嵌入聚合物基質(zhì)中。無論結(jié)構(gòu)構(gòu)造如何，納米發(fā)電機(jī)內(nèi)的所有納米線都連接到兩端的電極。

由于有源壓電元件的排列方式有很多種，工作機(jī)理也不止一種。然而，壓電納米發(fā)電機(jī)通常依賴于兩種常見機(jī)制之一：

第一個是通過施加垂直于每根納米線的力產(chǎn)生的。在這種涉及垂直施力的方法中，壓電材料會受到來自移動尖端的作用力。該尖端導(dǎo)致產(chǎn)生電場的壓電納米材料變形。由于離子在納米線內(nèi)的位移，材料的拉伸和壓縮部分隨后分別呈現(xiàn)正電勢和負(fù)電勢。由于陽離子和陰離子都被置換，納米線內(nèi)會發(fā)生電荷分離，從而在尖端附近的表面產(chǎn)生電勢，而相反的表面則充當(dāng)?shù)鼐€。因為在納米線旁邊使用金屬層作為肖特基接觸，

第二種機(jī)制是單軸壓縮。單軸壓縮用于納米線一端連接到肖特基接觸而另一端連接到歐姆接觸的設(shè)備。當(dāng)對納米線的一端施加壓縮力時，它會在納米線的肖特基端產(chǎn)生負(fù)壓電勢。這也導(dǎo)致納米線的費米能級增加，電子通過外部電路從納米線的頂部流到底部，從而產(chǎn)生電流。

摩擦納米發(fā)電機(jī)

摩擦納米發(fā)電機(jī)是通過兩個主要原理將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置：

第一個原理是摩擦電效應(yīng)。摩擦電效應(yīng)是接觸帶電的一種形式，材料在摩擦力作用下帶電。

第二個原理是靜電感應(yīng)。靜電感應(yīng)是由于周圍的其他帶電物質(zhì)而導(dǎo)致的材料中的電荷分布。

這些納米發(fā)電機(jī)有多種工作機(jī)制。這些包括：

涉及機(jī)械應(yīng)力使納米材料變形并隨后釋放的機(jī)制，因此電荷將在兩種不同的材料中分離并產(chǎn)生導(dǎo)致電子流動的電場。

兩種納米材料相互滑動以引起摩擦和類似電荷遷移以分離納米材料的機(jī)制——再次引起電場和電子遷移以形成電流。

使用電極在一種納米材料中感應(yīng)一定電荷的機(jī)制。這會在第二種納米材料上產(chǎn)生相反的電荷，導(dǎo)致電子從一種材料遷移到另一種材料，從而感應(yīng)出電流。

總的來說，無論具體機(jī)制如何，兩種具有相反摩擦極性的納米薄膜（本質(zhì)上可以是有機(jī)的或無機(jī)的）會引發(fā)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，最終導(dǎo)致電場的產(chǎn)生，即電子在納米材料之間的遷移, 和電流。

熱釋電納米發(fā)電機(jī)

熱釋電發(fā)電機(jī)使用熱釋電材料（即在溫度變化時產(chǎn)生電流的材料）將外部熱能（例如熱量）轉(zhuǎn)換為電流。可用于這些納米發(fā)電機(jī)的材料類型比其他納米發(fā)電機(jī)要窄，它們通常使用鐵電材料或具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料。這些材料的兩端再次通過電極連接。

熱釋電納米發(fā)電機(jī)有兩種不同的自發(fā)電機(jī)制：

第一種機(jī)制不涉及納米發(fā)電機(jī)內(nèi)部納米材料的物理變化；相反，它涉及它們的電偶極子的運(yùn)動。這些偶極子的方向在室溫下自然波動，但當(dāng)納米發(fā)電機(jī)周圍存在較高的外部溫度（高于室溫）時，這些偶極子以更大的速率移動和振蕩。這反過來又導(dǎo)致電極中感應(yīng)電荷的數(shù)量下降——即由納米材料中的偶極子感應(yīng)的電荷——電荷的減少導(dǎo)致電子流動并產(chǎn)生電流。

第二種機(jī)制涉及由于溫度變化引起的物理變化。在這種機(jī)制中，當(dāng)局部溫度升高時，會導(dǎo)致納米材料熱膨脹和變形。這種變形會在材料中產(chǎn)生壓電勢差，從而導(dǎo)致電子遷移到外部電路并使電流流動。

結(jié)論

總的來說，有許多不同類型的納米發(fā)電機(jī)依靠不同的材料和不同的運(yùn)行機(jī)制從物理運(yùn)動或熱能中發(fā)電。雖然這些設(shè)備中的許多設(shè)備產(chǎn)生的電力很小，但足以為可以自給自足的小型遠(yuǎn)程設(shè)備供電。這對于將用于遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用程序的未來設(shè)備和那些屬于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備具有巨大的潛力。

審核編輯：湯梓紅