基于ZnO纳米线/聚合物复合结构的纳米能量转换器件的研究

开发具有纳米尺度的储能及能量转换器件是解决目前所有纳米电子器件供电问题的一个核心方案。本项目提出一种新型纳米能量转换器件，以氧化锌纳米线/聚合物复合结构作为器件基本工作单元，利用氧化锌纳米线局部暴露于极性分子时工作函数的变化实现电能的收获。这种器件设计及所依据的工作原理国内外目前尚未见有报道。项目将在以往的研究基础上，着重研究氧化锌纳米线物理参数及器件合成工艺对其电能转换效率的影响；以实验与理论相结合研究器件工作原理及能量转换过程相关物理问题；探索性研究单根氧化锌纳米线器件的合成工艺及其性能。目标是找到最佳器件合成工艺，获得持续的电流输出，并使器件能够成功驱动另一纳米电子器件，同时建立合适的物理模型，解释器件工作原理及相关物理现象。本项目所研究的器件还有望能同时转换热能、光能等其他环境能量，实现多功能化，还可用作自供电纳米化学传感器。

在本项目中,我们以半导体纳米线为基本工作单元,利用半导体纳米线与极性分子之间的相互作用，成功制备了极性分子驱动的纳米能量转换器件，并利用此器件产生的电能成功驱动碳纳米管三极管器件。项目主要开展了以下几个部分的研究：1）ZnO纳米线及其阵列的可控生长及性能优化。2）基于ZnO纳米线阵列的分子驱动能量转换器件的合成工艺及能量转换行为研究。3）基于ZnO纳米线阵列的热能-电能转换器件研究。4) 器件工作机理及单根ZnO器件的研究。.研究成果总结如下：1）创新性的用AuGa合金催化剂取代传统的Au催化剂，制备出具有窄的长度和直径分布、高结晶质量的ZnO纳米线阵列，为器件的制备打下了良好的基础；采用Sn掺杂，制备出长度达3-4厘米的ZnO超长微米线，为单根ZnO纳米线的制备提供便利；2）以ZnO纳米线阵列制备出分子驱动能量转换器件，根据器件暴露于极性分子时暴露端和密封端工作函数的不同而产生电势差，获得电压输出；当器件暴露于丙酮时，所获得电压可达300mV以上。利用器件输出的电压成功驱动了碳纳米管三级管器件。分子动力学计算结果表明，半导体纳米线接触极性分子时，其电负性确实有较大的改变，且电负性大小与暴露面积及极性分子的偶极矩成比例关系。3）创新性地利用聚合物与ZnO纳米线之间的相互作用及ZnO的压电效应，制备了能将环境热能转换为电能的能量转换器件，利用开尔文探针显微镜等手段研究了器件的工作原理。.项目在Nano letters, Advanced Materials, Chemistry of Materials, RSC advance等期刊上发表SCI收录论文13篇（均已标注），获授权国家发明专利1项，实用新型专利1项，申请并公开国家发明专利5项。培养硕士研究生7名，培养青年教师3名。