ナノ発電機
VING(Vertical nanowire Integrated Nanogenerator、基板面に対して垂直にナノワイヤを集積したタイプ)は3次元的な複合構造で、一般にベース電極・鉛直に成長した圧電体ナノ構造・カウンター電極の3層からなる。通常、圧電体を様々な方法でベース電極から成長させ、その先端をカウンター電極と接触させる。圧電体の突出部がカウンター電極と完全に接している場合もあれば、部分的に接しているだけの場合もある。
ジョージア工科大学のZ・L・ワンは2006年に初めてVINGの基本的な様式を提案した。ワンの方法は原子間力顕微鏡 (AFM) の探針を用いて単一のZnOナノワイヤを変形させるものだった。ワンは続けて2007年に最初のVINGを作製した。自由に動くカウンター電極の表面にAFM探針を多数並べたような周期格子を設ける方式であった。カウンター電極は多数のナノワイヤの先端と不規則に接触しており、外部振動が電極に3次元的な運動を与えると、電極はナノワイヤを様々な方向に変形させてその内部に電位分布を生み出す。カウンター電極の表面はナノワイヤとの間にショットキー障壁を作る金属でコーティングされており、ナノワイヤが圧縮を受けている部分でのみ電子が障壁を通りぬける(n型ナノワイヤの場合)。
焦電型ナノ発電機とは、焦電体のナノ構造を利用して外部の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスティングデバイスである。通常、熱電エネルギーのハーベスティングにはゼーベック効果(温度差によって電荷担体の非対称な拡散運動が起きる現象)が利用される。しかし、通常の屋外環境のように温度が空間的に均一な場合には、温度差として時間的な温度ゆらぎを利用するしかないが、ゼーベック効果ではそれが不可能である。その替わりとなるのが焦電効果(ある種の異方的な固体が熱ゆらぎによって自発分極を示す現象)である。最初の焦電型ナノ発電機はジョージア工科大学のZ・L・ワンによって2012年に実現した。将来的にこの新しいナノ発電機は、廃熱エネルギーのハーベスティングを通して、無線センサや温度イメージング、医療診断、および携帯機器に応用されると考えられる。
ナノワイヤの先端から一方向に電荷を送る役割を果たしているのは、カウンター電極とナノワイヤの間の電気的な接合である。肝要なのは接合がショットキー的であることで、接合がオーミックであれば先端に生じた電場は打ち消されてしまう。効果的なショットキー接合が形成されるのは、ナノワイヤ材料の電子親和力(Ea)がカウンター電極を構成する金属の仕事関数(φ)より小さい場合である。電子親和力が4.5 eVの酸化亜鉛(ZnO)ナノワイヤならば、仕事関数が6.1 eVのプラチナが電極材料として適している。ショットキー接合には整流特性があるため、カウンター電極がナノワイヤ表面の負電位部と接しているときには電子が電極に移ることができるが、正電位部と接しているときには電流は流れない(これはn型半導体ナノワイヤの場合であり、p型ではホールがキャリアとなるため逆の現象が起きる)。ここで得られる出力信号は直流電流となる。
ナノワイヤ軸に沿った力がはたらく場合については、垂直に立ったナノワイヤの下端が金属とオーミック接合を作っており、上端がショットキー接合となるようなモデルで考えられる。ナノワイヤの先端に垂直な力を加えると、ワイヤ中に一軸ひずみが作られる。先端には負の圧電電位が発生し、先端のフェルミ準位を上昇させる。電子は上部電極から外部回路を通って下部電極に送られるため、上部電極には正電位が残る。ここでショットキー接合はキャパシタンスとしてはたらき、界面電流を妨げて電極の電位を保つ。力が取り除かれると、圧電電位が消え、電子が逆に流れて上部電極の正電位を中和する。このプロセスでは交流の出力電流が得られる。