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【新能源】压电电子学、压电光电子学和纳米发电技术的未来趋势
醉卧青云 2015-12-02
导语

今年9月,汤森路透集团发布2015年度“引文桂冠奖”获奖名单,中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、华裔科学家王中林榜上有名。王中林在纳米能源领域做出了原创性重大贡献,从2006年开始,王中林团队先后发明了压电式纳米发电机,热式纳米发电机,混合型纳米发电机和摩擦纳米发电机等,并且逐步克服纳米技术输出电流小、电压高,难以直接给用电器有效充电的这种缺陷,逐步显示出了在产业当中应用的潜力。

本文从王中林先生在科学出版的《自驱动系统中的纳米发电机》、《压电电子学与压电光电子学》两种重要著作中摘选部分内容,简要介绍其相关学科内容。

   

王中林 

美国佐治亚理工学院终身校董事讲席教授、Hightower终身讲席教授,中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家;中国科学院外籍院士,欧洲科学院院士;美国物理学会会士(fellow), 美国科学促进会(AAAS)会士,美国材料研究学会会士,美国显微镜学会会士。荣获美国显微镜学会1999年巴顿奖章,佐治亚理工学院2000年、 2005年杰出研究奖,2001年S. T. Li奖(美国),2009年美国陶瓷学会Purdy奖,2011年美国材料研究学会奖章(MRS Medal),2012年美国陶瓷学会爱德华·奥尔顿奖。

王中林发明了纳米发电机并发展出其技术路线图。

他关于自驱动纳米系统的研究激发了世界学术界和工业界对于微纳系统电源问题的广泛研究,这已成为能源研究与未来传感器网络研究中的特色学科。通过在新型的电子器件和光电子器件中引入压电势控制的电荷传输过程,他开创了压电电子学和压电光电子学学科并引领其发展,这在智能微机电系统或纳机电系统、纳米机器人、人与电子器件的交互界面以及传感器等方面具有重要的应用。

王中林著作被引情况(来源于www.nanoscience.gatech.edu)。截止2015年9月27日王中林著作已被引用超过85583次,论文被引用的h因子(h-index)是141。

自驱动系统中的纳米发电机

“  纳米发电机的发展过程是一个科学故事。——王中林

运行功率的量级  特定操作所需的能量紧密依赖于进行这一操作的尺度范围和具体应用。在全球范围内,需要太瓦量级的能量。而对于驱动一个小的器件来说,尽管运行这类器件所需要的总能量不大,但是也需要微瓦量级的能量。能量对于这类系统的运行来说是必需的,甚至是无价重要的。针对不同量级的能量问题必须开发不同的技术来解决世界能源问题。

米系统是多功能纳米器件的集成系统,具有感知、控制、通信和激励/响应等多种功能。系统的低功耗决定了可以从外界环境中收集能量来驱动这一纳米系统。对于那些独立、可持续工作、无需维护的植入式生物传感器、远程移动环境传感器、纳米机器人、微机电系统乃至便携式/可穿着个人电子器件来说,通常需要微瓦量级的功耗。

基于纳米技术的大量器件大概需要微瓦到毫瓦量级功率的电源才能运转。尽管所需功率小,电源都是必需的,不管成本怎样!虽然在很多情况下电池都是一个很好的选择,但从环境中收集能量可能可以完全替代电池或者延长电池的时间,从而使得器件可实现持续运转瓦量级的功耗。

我们于2006年首先提出了自驱动纳米技术,并且为自驱动系统研发了纳米发电机  这 种纳米发电机利用压电氧化锌纳米线阵列把随机的机械能转化为电能。纳米发电机的发电机制依赖于在外部应变下纳米线上产生的压电势:纳米线的动态应变使得外部负载电路中的电子在压电电势的驱动作用下发生瞬时的流动。利用纳米线的优势在于它们可以被微弱的物理运动激发,并且激发频率可以从一赫兹到几千赫兹,这对于收集环境中的随机能量来说是非常理想的。通过把几千根纳米线的发电输出集成起来,一个轻微的应变可以产生1.2V的电压,这足以驱动一个发光二极管和一个小型液晶显示器。

纳米发电机的发明,被中国科学院和中国工程院院士评为2006年度世界十大科技进展之一;2008年,基于纤维的纳米发电机被英国Physics World评选为物理领域重大进展之一;英国New Scientist期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一;2009年,纳米压电电子学被MITTechnology Review评选为十大创新技术之一;2010年,纳米发电机被Discovery杂志评为纳米技术领域的20项重大发明之一;2011年,纳米发电机被欧盟委员会评为六大未来新兴技术之一,将在下一个十年里受到资助。

压电电子学与压电光电子学

“王中林院士和他的团队提出的纳米压电电子学和纳米压电光电子学是纳米电子学向实用方向迈进的一个突破口。预计通过压电电子学器件将机械激励信号集成到电子系统中将是未来人与CMOS接口技术的重要方面。——中国科学院半导体研究所 夏建白

的研究组分别在2007年和2010引入创立了压电电子学和压电光电子学的基本概念。当具有非中心对称性的纤锌矿结构材料(如氮化镓和氮化铟等) 受到外加应力时,由于晶体中离子的极化而在材料内产生压电电势(亦称压电势)。由于压电半导体材料同时具有压电和半导体特性,所以晶体中产生的压电势可显著影响界面/结区的载流子传输。

压电电子学器件是利用压电势作为“门”电压调节/控制接触处或结区载流子传输过程的电子器件。压电光电子学器件则利用了压 电势来控制载流子的产生、分离、传输和/或复合过程,从而提高诸如光电探测器、太阳能电池和发光二极管等光电器件的性能。压电电子学和压电光电子学器件提供的功能是对传统互补金属-氧化物-半导体(CMOS)技术的补充。压电电子学和压电光电子学器件与硅基技术的有效集成可望在人机接口、纳米机器人的传感 和驱动、智能化与个人化的电子签名、智能微纳机电系统、纳米机器人和能源科学等领域提供独特的应用。

压电电子学、压电光电子学和纳米发电机研究应用的前景和展望

这是今后在未来研究中非常重要的方向和领域。图中央:压电、光激发和半导体性质三元耦合的示意图。压电、光激发和半导体性质的三元耦合是研究和应用压电电子学(压电与半导体性质耦合)、压电光子学(压光电子学电与光激发性质耦合)、传统光电子学(半导体 性质与光激发性质耦合)和压电(压电、半导体与光激发性质耦合)的基础。上述各种耦合的核心依赖于压电材料中受应变产生的压电势。这是研究和应用压电电子 学、压电光子学、传统光电子学和压电光电子学的基础。

压电电子学已成为目前纳米科学和技术研究的前沿和热点,引起了国际学术界以至企业界的广泛关注。2009年,美国著名的《麻省理工学院技术综述》(MITTechnology Review)期刊把压电电子学评选为十大新兴科技之一。

“树”的概念总结了王中林研究组过去十余年致力于开创和发展的研究领域  包括-收集多种类型能量的纳米发电机和混合电池,自供能系统,压电电子学,压电光电子学,以及将来的压电光子学。这些新兴领域的根基是压电势和半导体物理,以纤锌矿结构材料作为基本的材料体系。所有上述领域都是以此根基为基础发展而来的。

本文由刘四旦摘编整理自王中林著《自驱动系统中的纳米发电机》、《压电电子学与压电光电子学》的两种重要著作。

自驱动系统中的纳米发电机》(ISBN  978-7-03-034397-0)主题是介绍纳米发电机的基本原理。首先阐述了基本的材料生长;随后描述物理机制和基本理论;然后展示获得高输出功率的工程方法;最后,提出纳米发电机和其他能量收集技术的结合。书末,展示了自驱动系统的原型。

压电电子学与压电光电子学》(ISBN:978-7-03-035790-8)介绍了压电电子学和压电光电子学的物理原理、基本理论以及基本器件单元的设计、制造、测试和应用。

本文引用地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-940429.html  此文来自科学网科学出版社博客

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文章评论(1)
爱因斯坦[北京航空航天大学]

2016年3月4日,王中林院士获2016美国SURA杰出科学家奖,恭喜王中林老师

980天前 | 收起回复

金陵:超级大牛啊

2016-08-21 10:17 回复

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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