Udarbejdelse af ZnO nanorod / Graphene / ZnO nanorod Epitaksial Dobbelt heterostruktur til piezoelektriske Nanogenerator ved hjælp Forvarmning Hydrotermisk
Summary
Et-trins fabrikation fremgangsmåde til opnåelse af fritstående epitaksial dobbelt heterostruktur præsenteres. Denne tilgang kunne opnå ZnO dækning med et højere antal densitet end det epitaksiale enkelt heterostruktur, hvilket fører til en piezoelektrisk nanogenerator med en øget produktion elektrisk ydeevne.
Abstract
Nå alliancefri ZnO nanostrukturer er blevet intensivt studeret i det sidste årti for bemærkelsesværdige fysiske egenskaber og enorme applikationer. Her beskriver vi en ettrins fabrikation teknik til syntese fritstående ZnO nanorod / graphene / ZnO nanorod dobbelt heterostruktur. Fremstillingen af den dobbelte heterostruktur udføres ved anvendelse af termisk kemisk dampudfældning (CVD) og forvarmning hydrotermisk teknik. Desuden blev de morfologiske egenskaber kendetegnet ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi (SEM). Nytten af fritstående dobbelt heterostruktur demonstreres ved opdigte den piezoelektriske nanogenerator. Det elektriske output forbedres op til 200% sammenlignet med en enkelt heterostruktur på grund af koblingen virkning af piezoelectricity mellem arrays af ZnO nanorods på toppen og bunden af graphene. Denne unikke dobbelte heterostruktur har et enormt potentiale for anvendelser af elektrisk og optoelectricalenheder, hvor det store antal densitet og specifikt overfladeareal på nanorod er brug for, såsom tryksensor, immuno-biosensor og dye-sensibiliserede solceller.
Introduction
For nylig blev de bærbare og bærbare elektronik udstyr et væsentligt element for et behageligt liv på grund af udviklingen nanoteknologi, hvilket resulterer i de enorme krav til en strømkilde i intervallet microwatt til milliwatt. Betydelige tilgange til strømkilden af bærbare og bærbare enheder er blevet opnået ved vedvarende energi, herunder solenergi 1,2, termisk 3,4 og mekanisk kilde 5,6. Piezoelektriske nanogenerator er blevet intensivt undersøgt som en af mulig kandidat til energi høst enhed fra miljøer, såsom raslende bladet 7, lydbølge 8 og flytning af menneske 9. Det primære princip for nanogenerator er koblingen mellem den piezoelektriske potentiale og dielektrisk materiale som en barriere. Det piezoelektriske potentiale frembringes i anstrengt materiale inducerer transiente strøm, der løber gennem den eksterne circuit, hvilket afbalancerer potentiale på grænsefladen mellem piezoelektriske og dielektrisk materiale. Udførelsen af nanogenerator ville blive forbedret ved hjælp af nanostruktur af piezoelektriske materiale som følge af robusthed under robusthed under høj belastning og lydhørhed over for lille deformation 10.
Endimensional zinkoxid nanostruktur er en lovende komponent til piezoelektriske materialer i nanogenerator grund af sin attraktive egenskaber, fx dets høje piezoelectricity (26,7 pm / V) 11, optisk transparens 12, og let syntese ved hjælp af kemisk proces 13. Hydrotermisk tilgang til dyrkning godt afstemt ZnO nanorod modtager en stor opmærksomhed på grund af lave omkostninger, miljøvenlig syntese og potentiale for nem skalering op. Desuden forvarmning hydrotermiske teknik er let kontrollerbar i eksperimentel tilstand, hvilket resulterer i mange former for nye nanostrukturer, såsom nanoleaves 14,nanoflowers 15 og nanorør 16. De hidtil ukendte nanostrukturer muliggøre en gavnlig virkning på udførelsen af de elektriske og optoelektriske enheder, uanset hvor højt specifikt overfladeareal af materialet er krævet.
I denne protokol, beskriver vi de eksperimentelle procedurer til syntese af mere roman nanostruktur (dvs. fritstående dobbelt heterostruktur). Væksten i ZnO nanorod ved grænsefladen mellem graphene og polyethylenterephthalat (PET) substrat fører til selv-hæve ZnO nanorod / graphene enkelt heterostruktur, giver den fritstående dobbelt heterostruktur. Endvidere er den mulige anvendelse af denne unikke nanostruktur for elektroniske og optoelektriske enheder demonstreret ved fremstilling af en piezoelektrisk nanogenerator. Fritstående dobbelt heterostruktur giver ikke kun et højt specifikt overfladeareal, men også et stort antal tæthed af nanorod i et givet område. Denne unikke nanostruktur har en enorm potentundervægter le anvendelser af elektriske og optoelectrical enheder, såsom tryksensor, immuno-biosensor og farvestof-sensibiliserede solceller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bemærk, at den høje kvalitet (> 99,8%, udglødet) af Cu folie bør betragtes som et substrat for en vellykket vækst i enkelt lag graphene. Ellers er enkelt lag graphene ikke ensartet vokset over Cu folie, hvilket fører til dramatisk fald i ledningsevne graphene. En 1 time annealing ved høj temperatur ville hjælpe til forbedring af Cu folie krystallinitet samt fjernelse af eventuelle forurenende stoffer fra Cu folie.
Væksten af ZnO nanorod afhænger af betingelserne for forvar…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
