熱釋電納米發電
熱釋電納米發電機是一種能量收集裝置，它能夠利用納米結構的熱釋電材料把外界的熱能轉換成電能。通常，熱能的收集主要依靠器件兩端的溫差驅動載流子擴散的塞貝克效應。[1] 然而，在環境中溫度是空間均勻分布的，並沒有梯度，例如我們日常生活的戶外。在這種情況下，塞貝克效應不能用來收集隨時間變化的熱能，熱釋電效應是必須的選擇，它是關於自發極化在某些各向異性的固體中隨溫度漲落的結果。[2] 喬治亞理工學院的王中林教授於2012年首次發明了熱釋電納米發電機。[3] 通過收集廢棄的熱量作為能源，這種新型的納米發電機在無線傳感器、溫度成像、醫學診斷以及個人電子產品方面都具有潛在的應用。
工作原理
[編輯]
熱釋電納米發電機的工作原理將分兩種不同的情況進行解釋：第一熱釋電效應和第二熱釋電效應。
第一熱釋電效應描述了在沒有應變情況下的產生的電荷，存在於PZT，BTO等鐵電材料中。[4] 其機理是基於熱誘導的電偶極子在平衡軸附近的隨機擺動，其大小隨著溫度變化的增加而變大。[5] 在室溫下的熱擺動，電偶極子將會在一定程度內在其各自的對稱軸上隨機擺動。在某一確定的溫度下，電偶極子自發極化形成的總的平均強度是不變的，因此，熱釋電納米發電機沒有輸出。如果我們讓納米發電機的溫度從室溫升高到較高的溫度，溫度的增加將導致電偶極子在各自的對稱軸附近更加劇烈的擺動。由於擺角的增加，總的平均自發極化降低了。於是，電極上感生電荷的量減少了，從而產生了電子的流動。如果發電機是被冷卻而不是被加熱，由於較低的熱激活能，電偶極子在更小的角度範圍內擺動，自發極化將增強。相應的電極上感生電荷的量也增加了。這將導致電子將沿著相反的方向流動。
第二熱釋電效應描述了熱膨脹引起的應變導致的電荷，其存在於ZnO,CdS以及其他一些纖鋅礦結構材料。[3] 熱形變可以引起材料中的壓電電勢差，它能夠驅動電子在外電路中的流動。納米發電機的輸出與材料的壓電係數和熱形變有關。熱釋電納米發電機的輸出電流I由方程I=pA(dT/dt)確定，其中p表示熱釋電係數，A是納米發電機的有效面積，dT/dt是溫度變化率。[5]
應用
[編輯]熱釋電納米發電機被期望能夠應用到各種溫度隨時間波動的地方。一種可行的應用就是用作不需要外界電源而能夠工作的自驅動傳感器。王中林教授小組已在2012年發明了一種利用熱釋電納米發電機用作自驅動的溫度傳感器，這種傳感器可以探測溫度的變化，響應時間和重置時間分別為0.9秒和3秒。[6] 總之，熱釋電納米發電機具有輸出電壓高和輸出電流小的特點。它不僅可以作為潛在的電源，也可以作為自驅動傳感器來監測溫度變化。
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Yang, Ya; Pradel, Ken C.; Jing, Qingshen; Wu, Jyh Ming; Zhang, Fang; Zhou, Yusheng; Zhang, Yue; Wang, Zhong Lin. Thermoelectric Nanogenerators Based on Single Sb-Doped ZnO Micro/Nanobelts. ACS Nano (American Chemical Society (ACS)). 2012-07-10, 6 (8): 6984–6989. ISSN 1936-0851. doi:10.1021/nn302481p.
- ^ Zook, J. D.; Liu, S. T. Pyroelectric effects in thin film. Journal of Applied Physics (AIP Publishing). 1978, 49 (8): 4604–4606. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.325442.
- ^ 3.0 3.1 Yang, Ya; Guo, Wenxi; Pradel, Ken C.; Zhu, Guang; Zhou, Yusheng; Zhang, Yan; Hu, Youfan; Lin, Long; Wang, Zhong Lin. Pyroelectric Nanogenerators for Harvesting Thermoelectric Energy. Nano Letters (American Chemical Society (ACS)). 2012-05-02, 12 (6): 2833–2838. ISSN 1530-6984. doi:10.1021/nl3003039.
- ^ Ye, Chian‐ping; Tamagawa, Takashi; Polla, D. L. Experimental studies on primary and secondary pyroelectric effects in Pb(ZrxTi1−x)O3, PbTiO3, and ZnO thin films. Journal of Applied Physics (AIP Publishing). 1991-11-15, 70 (10): 5538–5543. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.350212.
- ^ 5.0 5.1 Yang, Ya; Jung, Jong Hoon; Yun, Byung Kil; Zhang, Fang; Pradel, Ken C.; Guo, Wenxi; Wang, Zhong Lin. Flexible Pyroelectric Nanogenerators using a Composite Structure of Lead-Free KNbO3Nanowires. Advanced Materials (Wiley-Blackwell). 2012-07-26, 24 (39): 5357–5362. ISSN 0935-9648. doi:10.1002/adma.201201414.
- ^ Yang, Ya; Zhou, Yusheng; Wu, Jyh Ming; Wang, Zhong Lin. Single Micro/Nanowire Pyroelectric Nanogenerators as Self-Powered Temperature Sensors. ACS Nano (American Chemical Society (ACS)). 2012-08-22, 6 (9): 8456–8461. ISSN 1936-0851. doi:10.1021/nn303414u.