Herstellung von ZnO-Nanostäbchen / Graphene / ZnO-Nanostäbchen Epitaxial Doppelheterostruktur für Piezoelektrische Nanogenerator mithilfe Vorwärmen Hydrothermale
Summary
Ein-Schritt-Herstellungsverfahren für den Erhalt von freistehenden epitaktischen Doppelheterostruktur dargestellt. Dieser Ansatz könnte ZnO Abdeckung mit einer höheren Dichte als die Anzahl der epitaxialen Einzelheterostruktur zu erzielen, die zu einem piezoelektrischen Nanogenerator mit einem erhöhten elektrischen Ausgangsleistung.
Abstract
Gut ausgerichteten ZnO-Nanostrukturen wurden intensiv im letzten Jahrzehnt für die bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften und enorme Anwendungen untersucht. Hier beschreiben wir ein Ein-Schritt-Herstellungstechnik, um die Synthese freistehende ZnO Nanostäbchen / Graphen / ZnO-Nanostäbchen-Doppelheterostruktur. Die Herstellung des Doppelheterostruktur wird durch Verwendung von thermischer chemischer Dampfabscheidung (CVD) und Vorwärmen Hydrothermalverfahren ausgeführt wird. Darüber hinaus wurden die morphologischen Eigenschaften mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. Die Nützlichkeit von freistehenden Doppelheterostruktur wird durch Herstellen des piezoelektrischen Nanogenerator demonstriert. Die elektrische Leistung wird bis zu 200% gegenüber der eines einzelnen Heterostruktur durch die Koppelwirkung des Piezoelektrizität zwischen den Anordnungen von ZnO-Nanostäben auf der Ober- und Unterseite des Graphen verbessert. Diese einzigartige doppelte Heterostruktur haben eine enorme Anwendungspotenzial von elektrischen und opto-elektrischenGeräte, bei denen die hohe Anzahldichte und der spezifischen Oberfläche des Nanostäbchen benötigt werden, wie beispielsweise Drucksensoren, Immuno-Biosensors und farbstoffsensibilisierte Solarzellen.
Introduction
Vor kurzem wurde die tragbaren und Wearable-Electronics-Geräte ein wesentliches Element für ein komfortables Leben auf Grund der Entwicklung der Nanotechnologie, die in den enormen Anforderungen an eine Stromquelle im Bereich von Mikrowatt bis Milliwatt führt. Erhebliche Ansätze für die Stromversorgung von tragbaren und tragbare Geräte wurden durch die erneuerbaren Energien erreicht werden, darunter Solarenergie 1,2, 3,4 thermische und mechanische Quelle 5,6. Piezoelektrische Nanogenerator wurden intensiv als einer der möglichen Kandidaten für Energiegewinnungsvorrichtung aus Umgebungen, wie Rascheln der Blätter 7, Schallwelle 8 und die Bewegung der Mensch 9 untersucht. In erster Linie gilt die Nanogenerator zugrunde, die Kupplung zwischen dem piezoelektrischen Potential und das dielektrische Material als eine Barriere. Der piezoelektrische Potenzial im gespannten Materials erzeugt induziert die Übergangsstrom, der durch den externen circ fließtuit, was das Potential an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen und dielektrischen Materials ausgleicht. Die Leistung der Nanogenerator würde, indem Nanostruktur aus piezoelektrischem Material durch Robustheit unter Robustheit unter hoher Belastung und Reaktionsfähigkeit, um winzige Verformung 10 verbessert werden.
Eindimensionale Zinkoxid Nanostruktur ist eine vielversprechende Komponente für piezoelektrische Materialien in Nanogenerator aufgrund seiner attraktiven Eigenschaften, zB ihre hohe Piezoelektrizität (26,7 pm / V) 11, optische Transparenz 12 und einfache Synthese unter Verwendung chemischer Prozess 13. Hydrothermale Ansatz für das Wachstum der ZnO-Nanostäbchen gut ausgerichtet erhält eine große Aufmerksamkeit wegen der niedrigen Kosten, umweltfreundliche Synthese und Potenzial für die einfache Skalierung auf. Darüber hinaus ist die hydrothermale Vorwärmen Technik experimentelle Bedingung leicht kontrollierbar, was in vielen Arten der neuen Nanostrukturen, wie beispielsweise Nanoblätter 14,Nanoblumen 15 und Nanoröhren 16. Die erfindungsgemäßen Nanostrukturen ermöglichen eine vorteilhafte Wirkung auf die Leistung der elektrischen und optoelektrischen Vorrichtungen, wo die hohe spezifische Oberfläche des Materials gefordert ist.
In diesem Protokoll beschreiben wir die experimentellen Verfahren für die Synthese von mehreren erfindungsgemäßen Nanostruktur (dh freistehende Doppelheterostruktur). Das Wachstum der ZnO-Nanostäbchen an der Schnittstelle zwischen dem Graphen und Polyethylenterephthalat (PET) -Substrat führt zur selbstmontierende die ZnO-Nanostäbchen / Graphen Einfachhetero, wodurch die freistehende Doppelheterostruktur. Weiterhin ist die Anwendung möglich dieses einzigartigen Nanostruktur für elektronische und optoelektrischen Vorrichtungen durch Herstellung einer piezoNanoGenerator demonstriert. Freistehenden Doppelheterostruktur nicht nur eine hohe spezifische Oberfläche, sondern auch eine hohe Anzahldichte der Nanostäbchen in einem gegebenen Gebiet. Diese einzigartige Nanostruktur hat eine enorme potentenial für Anwendungen von elektrischen und optoelektrische Vorrichtungen, wie Druckfühler, Immuno-Biosensors und farbstoffsensibilisierte Solarzellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bitte beachten Sie, dass die hohe Qualität (> 99,8%, geglüht) der Cu-Folie sollte als Substrat für ein erfolgreiches Wachstum der einzelnen Schicht Graphen betrachtet werden. Andernfalls wird die einzelne Schicht Graphen ist nicht gleichförmig über die Cu-Folie aufgewachsen, was zu dramatisch Leitfähigkeit von Graphen zu verringern. A 1 Stunde Glühen bei hoher Temperatur würde die Verbesserung der Cu-Folie Kristallinität sowie die Entfernung von Verunreinigungen aus der Cu-Folie zu helfen.
<p class="jove…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).
