ナノ発電機
ナノワイヤの軸に対して垂直な力がはたらく場合、平行な力がはたらく場合のそれぞれについて、圧電型ナノ発電機の動作原理を解説する。
軸に垂直な力がはたらく場合の動作原理を説明するため、垂直に伸びたナノワイヤの先端が左右に動く探針によって擦られているところを考える。外力によって圧電体ナノワイヤ全体に曲げ変形が生じると、圧電効果によってワイヤ内部に電場が作られる。この現象は結晶構造中の陽イオンと陰イオンとがひずみによって相対変位を得たことに起因する。曲げの外側に当たる部分は伸長(正ひずみ)を受けて正の電位を呈し、内側は逆に圧縮(負ひずみ)を受けて負の電位を呈する。この結果、ナノワイヤ上面に正電位と負電位の領域が現れる。一方、ナノワイヤ下端は接地されているため電位はゼロとなる。ナノワイヤに生じる最大の電圧は以下の式で求められる。
V max = ± 3 4 ( κ 0 + κ ) [ e 33 − 2 ( 1 + ν ) e 15 − 2 ν e 31 ] a 3 l 3 ν max {\displaystyle V_{\text{max}}=\pm {\frac {3}{4(\kappa _{0}+\kappa )}}[e_{\text{33}}-2(1+\nu )e_{\text{15}}-2\nu e_{\text{31}}]{\frac {a^{3}}{l^{3}}}\nu _{\text{max}}}
ここで κ0 は真空の誘電率、 κ は誘電率、e33、e15、e31 は圧電定数、ν はポアソン比、a と l はそれぞれナノワイヤの半径と長さ、νmax はナノワイヤ先端の最大たわみである。