НАНОГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВЕРТИКАЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Предполагаемая полезная модель относится к области электроэнергетики, конкретно к устройствам, способным преобразовывать механическую энергию в электрическую за счет прямого пьезоэлектрического эффекта, и может быть использована при создании автономных источников питания носимой и имплантируемой электроники.
Функциональным аналогом заявленного объекта является «Пьезоэлектрический генератор, способ его изготовления и мобильное устройство, содержащее его» [RU 2570819 С1 от 22 октября 2014 года], представляющий собой два идентичных модуля, содержащих подложку с прозрачным электропроводящим покрытием, на поверхности которого из цирконата титаната свинца сформированы вертикальные пьезоэлементы шириной от 50 до 100 мкм и расположенные в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм. Оба модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, узлы которой с обеих сторон содержат адгезивный слой и расположены на вершинах вертикальных пьезоэлементов, а пространство между вертикальными пьезоэлементами обоих модулей заполнено изоляционным слоем. Принцип работы данного генератора основан на преобразовании механического входного сигнала в электрический сигнал в вертикальных пьезоэлементах в результате проявления прямого пьезоэлектрического эффекта.
2
Данное устройство на основе вертикальных пьезоэлементов из цирконата титаната свинца позволяет генерировать на одном микропьезоэлементе напряжение 0,06 В и ток 10 мА при величине нажатия в 1 Н. При площади касания 0,5 см возникает мощность от 360 до 600 мВт, что достаточно для подзарядки аккумулятора во время эксплуатации мобильного устройства, увеличивая время его автономной работы.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) верхний электрод;
б) нижний электрод;
в) материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект;
г) вертикальная ориентация пьезоэлементов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: низкая плотность упаковки вертикальных пьезоэлементов на подложке, а также недостаточно высокая энергоэффективность из-за высоких значений входного механического воздействия (единицы Н).
Известен аналог заявляемого объекта - «Пьезоэлектрический генератор» [RU 2446551 C1 от 18 октября 2010 года], содержащий диэлектрическую подложку, вертикальные наноразмерные столбики из пьезоэлектрика, выступающие в качестве пьезоэлементов, и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований. Электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов, и между каждыми двумя электродами имеется зазор. При этом в вершины наноразмерных столбиков введены постоянные наноразмерные магнитные элементы. Принцип работы данного генератора основан на преобразовании энергии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию путем раскачки наноразмерных столбиков под действием возвратно-поступательных движений наноразмерных постоянных магнитных элементов. При качании наноразмерных столбиков за счет возникновения пьезоэлектрического эффекта на их поверхностях создается разность потенциалов, которая передается наноразмерным токосъемным проволочным электродам.
Данный генератор позволяет генерировать электрическую энергию для питания различных микро- или наноустройств, а также может быть использован в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) верхний электрод;
б) нижний электрод;
в) использование пьезоэлектрика в качестве функционального элемента;
г) вертикальная ориентация пьезоэлементов;
д) наноразмерные геометрические параметры пьезоэлементов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость точного позиционирования проволочных электродов между рядами вертикальных наноразмерных столбиков с использованием операций литографии, необходимость дополнительного введения постоянных наноразмерных магнитных элементов в вершины наноразмерных столбиков для повышения энергоэффективности наногенератора.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является наногенератор на основе вертикально ориентированных вискеров оксида цинка [статья  X. Wang, J. Song, J. Liu, Z.L.Wang, «Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves» («Наногенератор постоянного тока, управляемый ультразвуковыми волнами») Science, 316, 2007, 102-105], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, нижний сплошной электрод, вертикально ориентированные нановискеры оксида цинка, выступающие в качестве пьезоэлементов, верхний профилированный контактный электрод, удерживаемый над вершинами пьезоэлементов с помощью диэлектрических упоров. Принцип работы данного наногенератора основан на преобразовании внешнего воздействия в виде ультразвуковой волны в электрический сигнал (напряжение и/или ток) в результате проявления прямого пьезоэлектрического эффекта в нановискерах оксида цинка.
2
Данный наногенератор позволяет генерировать энергию величиной 10 фВт с каждого нановискера и с суммарной выходной мощностью на единицу площади до 10 мВт/см. Данный наногенератор не требует дополнительных операций введения постоянных наноразмерных магнитных элементов, а также позволяет повысить плотность упаковки пьезоэлементов за счет отсутствия проволочных электродов между рядами нановискеров и уменьшения диаметра пьезоэлемента до диаметра индивидуального нановискера.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) подложка;
б) верхний профилированный электрод;
в) нижний сплошной электрод;
г) диэлектрические упоры;
д) вертикальная ориентация пьезоэлементов;
е) наноразмерные геометрические параметры пьезоэлементов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: низкая выходная мощность из-за рассеивания энергии ввиду отсутствия качественных проводящих каналов от каждого пьезоэлемента, а также низкое значение тока, генерируемого одним пьезоэлементом, вызванное высоким удельным сопротивлением нановискеров оксида цинка (~ 0,3 Ом⋅м).
Технический результат предполагаемой полезной модели - повышение энергоэффективности наногенератора за счет повышения плотности упаковки пьезоэлементов и их выходной мощности.
-2
Технический результат достигается за счет: использования в качестве пьезоэлементов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, легированных азотом, что позволяет повысить плотность упаковки пьезоэлементов до 100 мкм за счет отсутствия необходимости формирования двух рядов электродов между рядами пьезоэлементов и уменьшения диаметра пьезоэлемента до диаметра индивидуальной нанотрубки и повысить выходную мощность наногенератора до единиц Вт за счет высокого значения пьезоэлектрического модуля (до 203 пм/В) и низкого удельного сопротивления нанотрубок (0,0002 Ом⋅м).
Для достижения необходимого технического результата в наногенераторе на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, состоящем из подложки, со сформированным на ней нижним электродом, вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, верхнего профилированного электрода, удерживаемого на диэлектрических упорах, в качестве пьезоэлементов используются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, легированные азотом, а вершины вертикально ориентированных углеродных нанотрубок жестко не зафиксированы на верхнем контактном электроде.
На Фиг. 1, 2 приведены общий вид и разрез наногенератора на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Наногенератор (Фиг. 1, 2) содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, со сформированным сплошным нижним контактным электродом 2, на которых методом плазмохимического осаждения из газовой фазы выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки 3, которые выступают в качестве пьезоэлементов, верхний контактный профилированный электрод 4, диэлектрические упоры 5, обеспечивающие позиционирование верхнего контактного электрода 4 над вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубкок 3.
Работает наногенератор следующим образом.
-2
В исходном состоянии вертикально ориентированные углеродные нанотрубки 3 находятся в недеформированном состоянии. При этом вершины ориентированных углеродных нанотрубок не должны быть жестко зафиксированы на верхнем контактном электроде 4, чтобы сохранить подвижность вершин нанотрубок при внешних механических воздействиях. При внешнем механическом воздействии, таком как ветер, вибрации или движения тела человека, вершины вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3 отклоняются от своей оси, деформируются и контактируют с верхним профилированным электродом 4. Ввиду того, что вертикально ориентированные нанотрубки 3, выращенные на нижнем контактном электроде 2, расположенном на подложке 1, обладают пьезоэлектрическим эффектом, в результате внешних механических воздействий они деформируются, и возникает разность потенциалов между вершинами вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3, испытывающих упругие наноразмерные деформации, и заземленным верхним контактным профилированным электродом 4. Величина генерируемого потенциала определяется величиной пьезоэлектрического модуля вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3, величина которого зависит от концентрации дефектов замещения атомов углерода атомами азота со структурой пиррола. Величина генерируемого тока определяется удельным сопротивлением вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 3 и плотностью их упаковки на подложке, которая может достигать значений до 100 мкм. Предложенное устройство может быть использовано для генерации электрической энергии за счет преобразования внешних механических воздействий, таких как ветер, вибрации и движения тела человека, в том числе наноразмерных деформаций и вибраций.
-2
2
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой наногенератор на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с плотностью упаковки до 100 мкм, позволяющий преобразовывать наноразмерные механические деформации и вибрации в электрическую энергию с выходной мощностью на единицу площади до 10 Вт/см, достаточной для создания на их основе автономных источников питания носимой и имплантируемой электроники.
-2
2
По сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый элемент памяти позволяет повысить энергоэффективность до единиц мВ/нм путем повышения плотности упаковки пьезоэлементов до 100 мкм и повышения выходной мощности на единицу площади до 10 Вт/см за счет использования вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, легированных азотом, в качестве функционального материала пьезоэлементов.