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资讯快讯

美国《科学》杂志刊登王中林在纳米研究中的重大突破

2006-04-14

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  美国佐治亚理工学院讲席教授、vnsc威尼斯城官方网站先进材料与纳米技术系系主任, 中国国家纳米科学中心海外主任王中林教授和博士生宋金会成功的在纳米尺度下将机械能转换成电能,在世界上首次研制成功纳米发电机。这一最新成果被本月十三日出版的美国《科学》周刊长篇报道。这一重大发现开启了纳米科学和技术的新篇章。
 
  纳米科学界对纳米材料合成和应用的研究方兴未艾。 尤其是当今最前沿的纳米器件的研究,纳米器件有尺寸微小(纳米量级),功耗小,反映灵敏具有宏观器件完全所不具有的独特优势。 但是目前的研究只是集中在纳米器件的本身,没有考虑输入给这些纳米器件的电源问题。如果真正能让这些微小器件工作起来,电源是必须的。为了保持纳米系统微小而且体内可植入等特性,小型化的供电系统是必不可少的。只有实现了自带电源的纳米器件才可视为真正的纳米系统。 这无论在生物医学,军事,无线通信,无线传感方面都具有广泛的重要应用。
 
  研制最新的无线纳米器件,无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控,生物活体探测具有重大的意义。任何生物体内置的无线传感器都需要电源,一般的来说,这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。如果这些传感器能从生物体内自己给自己提供电源,并且实现器件和电源的同时小型化是科学家们一直所梦寐以求的。王中林他们的发现为解决该难题奠定了原理性的原创性贡献。
 
  王中林和宋金会巧妙的利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质,在原子力显微镜的帮助下,研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置-纳米发电机。他们利用氧化锌纳米线容易被弯曲的特性而在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。同时,竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构,同时具有半导体性能和压电效应。压电效应是一由材料中的力学形变而导致的电荷极化的效应,它是实现力电耦合和传感的重要物理过程。氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷。他们用导电原子力显微镜的探针针尖去弯曲单个的氧化锌纳米线,输入机械能。 同时由于氧化锌的半导体特性,他们巧妙的把这一特性和氧化锌纳米线的压电特性耦合起来,用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内,然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源,并向外界输电,从而完美的实现了纳米尺度的发电功能。更重要的是这一纳米发电机竟然能达到17%-30%的发电效率,为自发电的纳米器件奠定了物理基础。
 
  他们具体的试验设置及过程是:首先用高温热蒸发气相沉积的方法在氧化铝衬底上合成非常均匀规则的单晶纳米线,由于晶格匹配,这些纳米线都是垂直生长,具有规则的形貌(见图A), 而且和衬底结合的十分紧密。然后他们用金属银联通衬底的底部导电部分。同时,运用导电的原子力显微镜做为机械能输入和电能的收集部分(见图B)。弯曲并测量氧化锌纳米线的原子力显微镜探针针尖是镀了白金的硅材料制成,即保证了弯曲纳米线所需要的刚度同时也具备了良好的导电性。更重要的是这一设置使得纳米线底部是金属银和半导体氧化锌的连接,形成了欧母接触(ohmic contact),而针尖上白金和半导体氧化锌的接触形成了肖特基势垒。正是由于这一巧妙的设置加上单晶氧化锌纳米线独特的压电性能,使得被弯曲拉长的氧化锌纳米线一面所产生的正偏压电能不能释放,实现了电荷的分离和电荷积累。当原子力显微镜的探针继续扫过纳米线顶部到纳米线被压缩部分时,由于压缩部分的氧化锌纳米线一面是负电压,积累的压电电荷得到释放,为外电路输出电流(见图C)。从而在世界上首次实现了纳米尺度机械能转化为电能的装置-纳米发电机。
 
图A:在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像
 
图B:在导电的原子力显微镜针尖作用下,纳米线利用压电效应发电的示意图
 
图C:当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时,压电电荷释放的三维电压/电流信号图
 
  哈佛大学国际纳米技术领军人Charles Lieber 教授高度评价说“该工作是极其令人振奋的,因为它提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案,那就是如何来实现许多研究组所发明的纳米器件的供电问题… 在认识和解决该重大科学和技术问题上王教授充分发挥了他的原创性,那就是利用他所先创的氧化锌纳米线来实现把力能转换为电能”
 
  王中林教授早在七年前就敏锐的认识到氧化锌以其独特的半导体,光学和生物特性具有其他纳米材料不可替代的作用。他带领他的科研小组,一直致力于氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用的研究,取得了令人瞩目的一系列成果,2001年,他们首次合成氧化锌半导体纳米带,当时《科学》周刊对这一重大科研成果的报道震动了整个纳米学界,这篇重要文献迄今已经被引用了1100多次。他近年来在《科学》上报道了一系列氧化锌纳米结构,例如纳米环,纳米螺旋等。而现在他的最近科研成果,纳米发电机的发明势必是纳米科技界的最重大科研里程碑,其应用前景不可估量。
 
  “这一发明可以整合纳米器件,实现真正意义上的纳米系统,它可以收集机械能,比如人体的运动,肌肉的收缩,血液的流动;震动能,比如声波,超声波;甚至流体能量,比如体液的流动,血液的流动,动脉的收缩,并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需,从而实现自供能,无线纳米器件和纳米机器人”王中林教授说,“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明”。 这也是全世界纳米领域的最让人激动的重大发现,这一开创性的发明,一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。
 
王中林教授个人网页: http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang

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