点亮LED的新型柔性压电材料

将人体运动、风的流动甚至是声波产生的动能转换为电能,一直是压电材料研究者们的科研梦想。通过压电材料制造的微型压电器件,一般具有节能环保的特点。如今,研究者们正致力于通过柔性压电材料开发出毫瓦级的纳米发电机,并将其应用于自供能的生物监测设备和无线连接的环境传感设备。

为了取代以铅元素化合物为基础的传统压电器件,科学家们正在寻找各种环境和生物友好的替代材料。最近,韩国先进科技研究所(KAIST)Keon Jae Lee教授研究组发明了一种碱性铌酸盐基复合纳米材料(KNLN),并具有很好的压电效应。被誉为“能点亮LED的压电材料”。该研究工作作为封面文章,在Advanced Functional Materials杂志上发表。

这种KNLN压电材料弥补了其他纳米压电材料存在的两个主要问题:第一,其压电系数是一般钙钛矿压电材料的3倍以上,具有更高的转换效率;第二,KNLN也不像石墨烯复合纳米材料一样容易团聚,稳定性更胜一筹。

将KNLN与铜纳米棒进行复合,并用固态法把复合物封装到聚二甲基硅氧烷(PDMS)之中,就构建出了这种新型压电材料的“核心层”。发明者认为,铜纳米棒的存在使KNLN纳米颗粒得以更好的分散,同时也可以提高材料整体的导电性。在“核心层”两面连接上镀以导电ITO的聚对苯二甲酸乙二酯(PET),就可以制造出柔性透明的纳米发电机。

由于KNLN的压电效应,如果将一个3 cm × 3 cm纳米发电机进行简单的弯折,就能产生12V的电压和1.2 μA的电流。在没有任何外电路辅助的情况下,该纳米发电机可以独自点亮LED白光管;在类似条件下,它还能操控复杂的液晶显示器。

更进一步,发明者用同样的技术工艺可以制造出30 cm × 30 cm的大型压电器件,并将发电机的输出电压和输出电流分别提高到140 V和8 μA,其总功率约为0.5 mW。这样,就真正生产出了毫瓦级的纳米发电机。

在制造出如此性能优良的纳米发电机之后,Keon Jae Lee研究组的下一个目标是进一步提升发电机的功率,并将其应用于生化检测、柔性电子器件以及生物友好的自充电系统。

作者:刘文靓