Vandaag, we zijn omringd door een verscheidenheid aan elektronische apparaten die steeds dichter bij ons komen - we kunnen ze vastmaken en dragen, of zelfs elektronica implanteren in ons lichaam.

Veel soorten slimme apparaten zijn direct beschikbaar en handig in gebruik. Het doel is nu om draagbare elektronica te maken die flexibel, duurzaam en aangedreven door omringende hernieuwbare energie.

Dit laatste doel inspireerde een groep onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) om te onderzoeken hoe de aantrekkelijke fysieke kenmerken van zinkoxide (ZnO) -materialen effectiever kunnen worden gebruikt om overvloedige mechanische energiebronnen aan te boren om micro-apparaten van stroom te voorzien. Ze ontdekten dat het aanbrengen van isolerende aluminiumnitride-lagen in op ZnO gebaseerde apparaten voor het oogsten van energie leidde tot een aanzienlijke verbetering van de prestaties van de apparaten. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"Mechanische energie bestaat overal, altijd, en in verschillende vormen - inclusief beweging, geluid en trillingen. De conversie van mechanische energie naar elektrische energie is een betrouwbare benadering om elektriciteit te verkrijgen voor het aandrijven van duurzame, draadloze en flexibele apparaten - vrij van omgevingsbeperkingen, " legde Giwan Yoon uit, een professor in de afdeling Elektrotechniek aan de KAIST.

Piëzo-elektrische materialen zoals ZnO, evenals een aantal anderen, hebben het vermogen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie, en vice versa. "ZnO-nanostructuren zijn bijzonder geschikt als functionele elementen voor nanogeneratoren, dankzij hun talrijke deugden, waaronder transparantie, loodvrije biocompatibiliteit, nanostructurele vervormbaarheid, chemische stabiliteit, en gekoppelde piëzo-elektrische en halfgeleidereigenschappen, " merkte Yoon op.

Het sleutelconcept achter het werk van de groep? Flexibele op ZnO gebaseerde apparaten voor het oogsten van micro-energie, ook wel "nanogeneratoren, " kan in wezen bestaan ​​​​uit piëzo-elektrische ZnO-nanostaafjes of nanodraadarrays die zijn ingeklemd tussen twee elektroden die op de flexibele substraten zijn gevormd. In het kort, de betrokken werkingsmechanismen kunnen worden verklaard als een voorbijgaande stroom van elektronen aangedreven door de piëzo-elektrische potentiaal.

"Wanneer flexibele apparaten gemakkelijk mechanisch kunnen worden vervormd door verschillende externe excitaties, gespannen ZnO-nanostaafjes of nanodraden hebben de neiging om gepolariseerde ladingen te genereren, die, beurtelings, piëzo-elektronische velden genereren, "zei Yoon. "Hierdoor kunnen ladingen zich op de elektroden ophopen en genereert het een externe stroom, wat leidt tot elektronische signalen. Ofwel kunnen we de elektrische uitgangssignalen direct gebruiken of ze opslaan in energieopslagapparaten."

Andere onderzoekers hebben gemeld dat het gebruik van isolatiematerialen kan helpen een extreem grote potentiële barrière te vormen. "Dit maakt het van cruciaal belang dat isolatiematerialen zorgvuldig worden geselecteerd en ontworpen - rekening houdend met zowel de materiaaleigenschappen als het bedieningsmechanisme van het apparaat, " zei Eunju Lee, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Yoon.

Daten, echter, er zijn weinig inspanningen geleverd om nieuwe isolatiematerialen te ontwikkelen en hun toepasbaarheid op nanogeneratorapparaten te beoordelen of hun effecten op de uitvoerprestaties van het apparaat te bepalen.

De KAIST-onderzoekers stelden voor, Voor de eerste keer, nieuwe piëzo-elektrische ZnO/aluminiumnitride (AlN) gestapelde lagen voor gebruik in nanogeneratoren.

"We ontdekten dat het inbrengen van AlN-isolatielagen in op ZnO gebaseerde oogstmachines leidde tot een significante verbetering van hun prestaties - ongeacht de laagdikte en/of laagpositie in de apparaten, "zei Lee. "Ook, de prestaties en polariteit van de uitgangsspanning lijken af ​​te hangen van de relatieve positie en dikte van de gestapelde ZnO- en AlN-lagen, maar dit moet verder worden onderzocht."

De bevindingen van de groep zullen naar verwachting een effectieve aanpak bieden voor het realiseren van zeer energie-efficiënte op ZnO gebaseerde micro-energieoogstapparatuur. "Dit is met name handig voor zelfaangedreven elektronische systemen die zowel alomtegenwoordigheid als duurzaamheid vereisen - draagbare communicatieapparatuur, apparaten voor gezondheidszorgbewaking, omgevingsbewakingsapparatuur en implanteerbare medische hulpmiddelen, " merkte Yoon op. En er zijn potentieel veel andere toepassingen.

Volgende, Yoon en collega's zijn van plan een meer diepgaande studie uit te voeren om een ​​veel nauwkeuriger en uitgebreider begrip te krijgen van de bedieningsmechanismen van apparaten. "We zullen ook de optimale apparaatconfiguraties en -afmetingen onderzoeken op basis van de analyse van het werkingsmechanisme, " hij voegde toe.