化學氣相沉積法合成垂直性多壁奈米碳管應用於奈米發電機之研究

The Study of Synthesizing Vertical Aligned Multi-walled Carbon Nanotubes by Chemical Vapor Deposition and Its Application for Nanogenerator

葉秀倫(Hsiu-Len Yeh)

指導教授 ： 蔡春鴻 ； 柳克強

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2009年)

摘要

Nanogenerator這個嶄新的名詞由Z.L. Wang等人在2006年時在Science雜誌所提出，這個新的元件主要是利用壓電材料所具有的壓電效應，經過外力使其產生形變後，因為材料正負電荷中心的暫時分離，使得壓電材料的拉伸端具有正壓電電位，壓縮端具有負壓電電位，當碰觸到電極時，則會因為電位差而驅使電荷載子流到外部電路，進而輸出電壓及電流值。在人體身上有很多能量足以驅動nanogenerator，例如：肌肉的拉伸、血液的流動、聲音的聲波…等，因此將這種新的發電元件有很大的應用面。
本研究中，試圖設計一個全新的nanogenerator結構，用以改善文獻中nanogenerator輸出電壓、電流太小的缺點。因此設計出一對一的奈米發電組，也就是利用一根氧化鋅奈米線配上一個微電極，其好處是確保所有氧化鋅在彎曲產生壓電效應時，都能夠接觸到微電極順利的將電壓、電流輸出，且解決了氧化鋅奈米線還未彎曲即被電極卡住無法動彈的問題。而微電極選擇利用多壁奈米碳管（multi-wall carbon nanotubes, MWNTs），原因是因為其可定位成長在氧化鋅奈米線旁，所以無論氧化鋅的高度皆不相同，也可讓每根氧化鋅彎曲時皆可以碰觸到MWNTs，且由於MWNTs的電阻率很低，因此可以使輸出電流的衰退減少。
研究中利用CCVD的方式，配合在製程時通入氨氣來輔助MWNTs往垂直於基板方向成長，因此成功的在金屬電極上成長出具有垂直特性的MWNTs。
因為nanogenerator的驅動力設定為人體中血液的衝擊力，因此MWNTs和氧化鋅奈米線的楊氏係數對此元件的成功與否非常重要，具有高剛性的MWNTs才可以承受得住血液的衝擊而不被彎曲，所以研究中試圖自行設計了量測楊氏係數的新方法，由本實驗室的多探針奈米電性量測系統（Multi-probe Nano-electronics measurement system, MPNEM），利用探針施加偏壓產生靜電力吸引MWNTs的過程中，經由理論推導計算，成功的得到MWNTs的楊氏係數平均值為0.92 ± 0.28 Tpa，其值約為氧化鋅奈米線(楊氏係數約為29GPa)的三十倍。
MWNTs的電阻值亦是我們關心的另一個重點，所以我們在真空下利用MPNEM系統量測電阻率，對於由CCVD製程成長出垂直性良好的MWNTs，其電阻率為24.41 μΩ．m。
最後結合了氧化鋅奈米線以及具有垂直性的MWNTs所形成的nanogenerator，進行發電輸出的實驗，實驗結果得知我們輸出的電流值為0.8 pA ~ 3.5 pA，因此證明這個新設計的nanogenerator確實是可以運作，且成功的解決了電極與氧化鋅之間存在著Schottky barrier的問題。

關鍵字

奈米發電機 ； 多壁奈米碳管 ； 奈米碳管 ； 壓電效應 ； 化學氣相沉積法 ； 楊氏係數

並列摘要

無資料

並列關鍵字

nanogenerator ； multi-walls carbon nanotubes ； carbon nanotubes ； Piezoelectric effect ； Chemical Vapor Deposition ； Young's modulus

參考文獻

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