ナノ発電機
ZnOナノワイヤを基盤とするナノ発電機は植込みデバイスとしても利用できる。ZnOはそれ自体生体適合性を有し、有機基板上に作製することもできるため、デバイス全体が生体適合性を持つ。ナノ発電機を備えた人体植込みデバイスは、外部からの超音波振動を圧電ナノ構造によって電気エネルギーに変換して動作することができる。
LING(Lateral nanowire Integrated Nanogenerator、水平にナノワイヤを集積したタイプ)は2次元的な構造で、ベース電極・水平方向に成長させた圧電体ナノ構造・ショットキー接合を作る金属電極の3つの部分からなる。ほとんどの場合、基板となる膜の厚さは圧電体ナノ構造の直径より大きいため、それぞれのナノ構造は純垂直ひずみを受ける。
LINGの原型は、柔軟性のある基板上に単一のナノワイヤを水平に置いたSWG (single wire generator) である。SWGは圧電体の電気エネルギー産生能に関する基礎研究で一般的に用いられる方式だが、LING開発の初期段階でも広く採用されていた。
完全な接触を持つVINGと同様に、LINGは交流の電気信号を生成する。出力電圧を増幅するため、基板上に直列のデバイスアレイを作製し、各デバイスの出力電圧を加算することも行われる。この方式により、風力や波力のような大規模エネルギー源からのエネルギーハーベスティングにLINGを利用できる可能性が開けた。
電極を一つしか持たないタイプのTENGは、指先で触れて発電するような用途に適した設計とされている。その動作原理は、右図に模式的に示すように、接触帯電と静電誘導との組み合わせによる。はじめの位置(図の左上)では皮膚表面(ピンクの部分)とPDMS層(青い部分)が完全に接触し、電荷の移動が起きている。帯電系列上でPDMSは皮膚よりも負側に位置するので、接触帯電のプロセスによって皮膚からPDMSに電子が移る。摩擦電荷は正負が完全につり合っており、外部回路に電流が流れることはない。ここでPDMSと皮膚が分離すると、電荷のつり合いが崩れ、PDMS上で過剰になった負電荷を遮蔽するためにITO電極(オレンジの部分)に正電荷が誘起され、ITO電極からグラウンドに自由電子が流れる(図の右上)。すなわち静電誘導が起きる。皮膚とPDMS層の間隔がPDMSの膜厚と比べて十分広がれば、この過程で十分な出力信号を得ることができる。さらに間隔が広がり、PDMS上の摩擦電荷がITO電極の誘起電荷で完全に遮蔽されると出力信号は止む(図の右下)。ここで再び皮膚が近づいてくると、ITOの誘導電荷を減らすため、グラウンドからITO電極に向けて電子が戻ってくる(図の左下)。つまり、先ほどとは逆の電圧・電流信号が生じる。皮膚とPDMSが完全に接すると電荷の移動は止まる。これが単一電極モードの発電サイクルである。