第三十一卷 第八期 - 2018年四月二十七日 PDF
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利用摻銻ZnO奈米線陣列增進摩擦電荷轉移達成摩擦奈米發電機異常強化輸出功率
陳幸男1, 陳俊宏1, 林宗宏2, 曹育翔2, 劉全璞,1*
1 國立成功大學材料科學與工程系
2 國立清華大學生物醫學工程研究所
 
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【106年科技部傑出研究獎】得獎人專刊

們一直專注于開發新穎和功能性材料,從而能夠在實驗室裡開發出可替代之高效再生能源技術。例如,摩擦奈米發電機是一種新興的綠色能源發電器,通過摩擦生靜電現象,將無處不在的機械能量轉化為電能。該工作機制結合材料在壓力下相互摩擦產生的摩擦電荷,及釋放後材料表面所產生之感應電荷所產生。但輸出功率仍然很低, 主要受限 於摩擦生靜電期間的電荷轉移能力。由於半導體可以很容易地利用摻雜到來修改表面化學,我們呈現利用摻雜銻進入ZnO奈米線陣列形成p型,可以大幅度提高摩擦奈米發電機的輸出性能。

所有摻銻ZnO奈米線陣列的p型行為均得到驗證,而且電洞載子濃度估計為2.83 x 1015到1.87 x 1018 cm−3的範圍。圖1 總結了一系列由ZnO奈米線陣列組成的摩擦奈米發電機的輸出性能, 其改變摻雜濃度與PDMS和尼龍對摩擦的輸出效能關係。令人驚訝的是, p型氧化鋅奈米線陣列的輸出電壓(從 0.5 v 到 12 v)和輸出電流(2.0 x 10-8 A/cm2到1.1 x 10-7 A/cm2)比未摻雜n型氧化鋅分別有顯著增強24和5.5倍, 將電子轉移到摩擦完帶負電荷的PDMS。這與理論相抵觸,即只應由n型摻雜才能貢獻電子轉移至PVDS而不是p型摻雜來促成。反之, 在對摩擦完帶正電荷尼龍進行摩擦時, 摩擦的輸出性能被銻摻雜降低。這表明通過摻雜對半導體材料進行表面改質會對摩擦奈米發電機的輸出性能產生巨大影響。
圖 1. 對PDMS和尼龍與各種摩擦奈米發電機的輸出電壓、電流密度和摩擦電荷密度

因此, 根據摩擦損失或接收電子的趨勢, 在圖2中提出了摻雜氧化鋅奈米線陣列在摩擦系列中的相對位置。這些結果顯示了, 通過摻雜來調整材料在摩擦序列佔據一格大區段的可行性, 擴大了元件設計和材料選擇的自由度。
圖 2.在修改後的摩擦系列中提出的各種摻銻氧化鋅奈米線陣列的建議範圍, 顯示了半導體的電荷傳遞能力.

異常現象被歸因於因摻雜三價銻取替二價鋅而在摻銻氧化鋅奈米線陣列表面形成電子堆積層, 導致表面能帶向下彎曲變成n型特徵,以上取代行為是用x光光電子光譜法證實 。已經普遍認知, 摻雜的銻若形成五價將導致p型半導體特徵, 而這裡因為尺寸效應,在表面尺寸相似的三價銻離子(0.76Å)可直接取代鋅離子而形成Sb-O的化學鍵結,進而在表面形成施體能階, 造成n型半導體特徵。另外用紫外光電子譜技術確認了表面能帶彎曲,而更引人注目的是, 摻銻氧化鋅奈米線陣列的殼層區域比未摻雜氧化鋅奈米線陣列具有更多的自由電子n型半導體。最後, 圖3提出了在與PDMS接觸之前, 不摻雜的和摻銻氧化鋅奈米線陣列的詳細能帶圖, 描繪了電子作為摩擦電荷在導電帶中的空間分布,及在摩擦過程中如何轉移到PDMS的表面態。因此, 摻有較多表面態的p型氧化鋅奈米線陣列, 由於其較低的功函數, 在摩擦生電時更多的電子傾向于從表面電子累積層中轉移, 從而使摩擦奈米發電機輸出功率急劇增加。
圖 3.可能的表面向下彎曲能帶圖和與PDMS摩擦電荷轉移在接觸前的示意圖: (a) 摻雜氧化鋅奈米線陣列和 (b) 摻銻氧化鋅奈米線陣列.

最後, 圖4提出了摩擦奈米發電機的工作機理, 包含接觸充產生靜電和靜電感應。這項工作指出一種可行且簡便的方法藉由摻雜來達成修改半導體表面能的潛力, 而且具有很大的能力, 可以在摩擦系列調整相同材料的相對位置。這項工作開創了一個嶄新的一頁,提供了最佳材料組合的選擇自由度以設計高效能摩擦奈米發電機。
圖 4.摩擦 nanogenerator 工作機制的示意圖說明在迴圈外部壓縮和釋放力下對摻雜/摻銻摻雜氧化鋅 NR 陣列的聚矽烷.。(如果用尼龍代替了該方案, 則原理圖中顯示的所有符號都將反轉)
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