הכנת ZnO nanorod / גראפן / ZnO nanorod Epitaxial זוגי Heterostructure לPiezoelectrical Nanogenerator על ידי השימוש בPreheating הידרותרמיות
Summary
שיטת ייצור צעד אחד לקבלת heterostructure הכפול epitaxial בודד מוצגת. גישה זו יכולה להשיג כיסוי ZnO עם צפיפות מספר גבוהה מזה של heterostructure היחיד epitaxial, שהובילה לnanogenerator פיזואלקטריים עם ביצועים חשמליים תפוקה מוגברת.
Abstract
ננו תחמוצת האבץ ובכן מיושר נחקרו באינטנסיביות בעשור האחרון למאפיינים פיזיים מדהימים ויישומים עצומים. כאן אנו מתארים טכניקת ייצור צעד אחד לסינתזה בודד nanorod / גרפן / heterostructure הכפול nanorod ZnO תחמוצת האבץ. הכנת heterostructure הכפול מתבצעת באמצעות תצהיר תרמית אדים כימיים (CVD) והחימום מוקדם טכניקה הידרותרמיות. בנוסף, המאפיינים מורפולוגיים אופיינו על ידי שימוש במיקרוסקופ האלקטרונים סורקים (SEM). השירות של בודד heterostructure הכפול בא לידי ביטוי בבודת nanogenerator פיזואלקטריים. תפוקת החשמל הוא השתפר עד 200% בהשוואה לזה של heterostructure אחת בשל השפעת הצימוד של piezoelectricity בין המערכים של ננו תחמוצת האבץ בחלק העליון והתחתון של גרפן. יש לי heterostructure הכפול ייחודי זה פוטנציאל אדיר ליישומים של חשמל וoptoelectricalמכשירים שבו צפיפות המספר הגבוהה ושטח ספציפי של nanorod יש צורך, כגון חיישן לחץ, חיסוני biosensor ותאים סולריים צבען רגיש.
Introduction
לאחרונה, מכשירי אלקטרוניקה הניידים וביש הפכו מרכיב חיוני לחיים נוחים בשל פיתוח ננו-טכנולוגיה, וכתוצאה מכך הדרישות עצומות למקור כוח בטווח של microwatt לmilliwatt. גישות רבות למקור הכח של מכשירים ניידים וביש הושגו על ידי האנרגיה מתחדשת, כולל 1,2 אנרגיה סולארית, תרמית 3,4 ומקור מכאני 5,6. nanogenerator Piezoelectric נחקרו באינטנסיביות כאחד מועמד אפשרי למכשיר קצירת אנרגיה מסביבה, כגון רשרוש העלים 7, גל קול 8 ותנועה של אדם להיות 9. העיקרון היסודי שבבסיס nanogenerator הוא הצימוד בין החומר פוטנציאלי ודיאלקטרי פיזואלקטריים כמחסום. פוטנציאל פיזואלקטריים שנוצר בחומר מתוח גורם הנוכחי החולפת שזורם דרך circ החיצוניuit, שמאזן את הפוטנציאל בממשק שבין פיזואלקטריים וחומר דיאלקטרי. הביצועים של nanogenerator היו משתפרים באמצעות ננו-מבנה של חומר פיזואלקטריים בשל חוסן תחת חוסן תחת מתח גבוה והיענות לעיוות זעירה 10.
ננו-מבנה תחמוצת אבץ חד-ממדי הוא מרכיב מבטיח לחומרים פיזואלקטריים בnanogenerator בשל התכונות אטרקטיביות שלה, למשל, piezoelectricity הגבוה (26.7 בערב / V) 11, שקיפות אופטית 12, וסינתזה קלילה באמצעות תהליך כימי 13. גישה הידרותרמיות לגידול nanorod ZnO מיושר היטב מקבלת תשומת לב רבה בשל עלות נמוכה, סינתזה ידידותית לסביבה ופוטנציאל לשינוי קנה מידה עד קל. יתר על כן, הטכניקה הידרותרמיות החימום המוקדם היא בקלות לשליטה בתנאי ניסוי, וכתוצאה מכך הרבה סוגים של ננו רומן, כגון nanoleaves 14,nanoflowers 15 וצינורות 16. ננו הרומן לאפשר השפעה חיובית על ביצועים של מכשירי חשמל וכל מקום optoelectric השטח הספציפי הגבוה של חומר דרש.
בפרוטוקול זה, אנו מתארים את הפרוצדורות לסינתזה של יותר ננו-מבנה רומן (כלומר, בודדים heterostructure הכפול). הצמיחה של nanorod ZnO בממשק בין terephthalate גרפן ופוליאתילן מצע (PET) מובילה ל/ heterostructure היחיד גרפן nanorod ZnO המרומם העצמי, מניב heterostructure הכפול בודד. יתר על כן, היישום האפשרי של ננו-מבנה הייחודי זה למכשירים אלקטרוניים וoptoelectric בא לידי הביטוי בבודת nanogenerator פיזואלקטריים. heterostructure הכפול בודד מספק לא רק אזור גבוה ספציפי משטח אלא גם צפיפות מספר גבוהה של nanorod באזור נתון. יש ננו-מבנה הייחודי זה עצום חזקIAL ליישומים של מכשירי חשמל וoptoelectrical, כגון חיישן לחץ, חיסוני biosensor ותאים סולריים לצבוע רגישים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שים לב שאיכות גבוהה (> 99.8%, annealed) של רדיד Cu צריך להיחשב כמצע לגידול מוצלח של גרפן שכבה אחת. אחרת, גרפן השכבה אחת לא גדל באופן אחיד על פני נייר Cu, שהוביל לירידה דרמטית במוליכות של גרפן. חישול 1 שעה בטמפרטורה גבוהה יעזור השיפור של crystallinity רדיד Cu כמו גם הסרת כל מזהמים מרדיד Cu….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIP) (No.2014R1A2A1A11051146). This work was also supported by National Research Foundation of Korea Grant funded by the Korean Government (NRF-2014R1A1A2058350).
Materials
| Cu foil | Alfa Aesar | 13382 | |
| poly(methyl methacrylate) (PMMA) | Aldrich | 182230 | |
| zinc nitrate hexahydrate | Sigma-Aldrich | 228732 | |
| hexamethylenetetramine (HMT) | Sigma-Aldrich | 398160 | |
| polyethylenimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408719 | |
| indium tin oxide (ITO) coated PET | Aldrich | 639303 | |
| Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Sylgard 184 a, b | |
| Nickel Etchant Type1 | Transene Company | 41212 |
References
- Lee, S., Lee, Y., Park, J., Choi, D. Stitchable organic photovoltaic cells with textile electrodes. Nano Energy. 9, 88-93 (2014).
- Pan, S., et al. Wearable solar cells by stacking textile electrodes. Angew. Chem.-Int. Edit. 53, 6110-6114 (2014).
- Yang, Y., et al. Pyroelectric nanogenerators for harvesting thermoelectric energy. Nano Lett. 12, 2833-2838 (2012).
- Lee, J. H., et al. Highly stretchable piezoelectric-pyroelectric hybrid nanogenerator. Adv. Mater. 26, 765-769 (2014).
- Zhong, J., et al. Finger typing driven triboelectric nanogenerator and its use for instantaneously lighting up LEDs. Nano Energy. 2, 491-497 (2013).
- Tang, W., Han, C. B., Zhang, C., Wang, Z. L. Cover-sheet-based nanogenerator for charging mobile electronics using low-frequency body motion/vibration. Nano Energy. 9, 121-127 (2014).
- Li, S., Yuan, J., Lipson, H. Ambient wind energy harvesting using cross-flow fluttering. J. Appl. Phys. 109, 026104 (2011).
- Cha, S. N., et al. Sound-driven piezoelectric nanowire-based nanogenerators. Adv. Mater. 22, 4726-4730 (2010).
- Bai, P., et al. Integrated multilayered triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy from human motions. ACS Nano. 7, 3713-3719 (2013).
- Xu, S., Wang, Z. L. One-dimensional ZnO nanostructures: Solution growth and functional properties. Nano Res. 4, 1013-1098 (2011).
- Zhao, M. -. H., Wang, Z. -. L., Mao, S. X. Piezoelectric characterization of individual zinc oxide nanobelt probed by piezoresponse force microscope. Nano Lett. 4, 587-590 (2004).
- Nam, G. -. H., Baek, S. -. H., Cho, C. -. H., Park, I. -. K. A flexible and transparent graphene/ZnO nanorod hybrid structure fabricated by exfoliating a graphite substrate. Nanoscale. 6, 11653-11658 (2014).
- Zou, X., Fan, H., Tian, Y., Yan, S. Facile hydrothermal synthesis of large scale ZnO nanorod arrays and their growth mechanism. Mater. Lett. 107, 269-272 (2013).
- Qiu, J., et al. Single-crystalline twinned ZnO nanoleaf structure via a facile hydrothermal process. J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 2175-2184 (2011).
- Qiu, J., et al. Synthesis and characterization of flower-like bundles of ZnO nanosheets by a surfactant-free hydrothermal process. J. Nanomater. 2014, 281461 (2014).
- Sun, Y., Riley, D. J., Ashfold, M. N. R. Mechanism of ZnO nanotube growth by hydrothermal methods on ZnO Film-coated Si substrates. J. Phys. Chem. B. 110, 15186-15192 (2006).
- Qiu, J., et al. The growth mechanism and optical properties of ultralong ZnO nanorod arrays with a high aspect ratio by a preheating hydrothermal method. Nanotechnology. 20, 155603 (2009).
- Qiu, J., et al. Solution-derived 40 µm vertically aligned ZnO nanowire arrays as photoelectrodes in dye-sensitized solar cells. Nanotechnology. 21, 195602 (2010).
- Shin, D. -. M., et al. Freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod epitaxial double heterostructure for improved piezoelectric nanogenerators. Nano Energy. 12, 268-277 (2015).
