Κατασκευή Και Χαρακτηρισμός Πιεζοηλεκτρικών Νανογεννητριών Σε Εύκαμπτα Υποστρώματα

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός νανογεννητριών σε εύκαμπτα υποστρώματα για την συλλογή της μηχανικής ενέργειας από τις δονήσεις του περιβάλλοντος. Ως πιεζοηλεκτρικό υλικό επιλέχθηκε το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) για την οικολογική του φύση και βιοσυμβατότητα, καθώς και την δυνατότητα εφαρμογής του σε πληθώρα υποστρωμάτων. Στην παρούσα εργασία ως υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν το kapton και διάφορα είδη χαρτιού. Αρχικά, έγινε η ανάλυση των κυριότερων μηχανισμών συλλογής ενέργειας και περιγράφηκαν οι ενεργειακές ανάγκες στην σύγχρονη κοινωνία. Στη συνέχεια έγινε καταγραφή των σπουδαιότερων πιεζογεννητριών σε νανοδομές και αναλύθηκαν οι βασικές αρχές του πιεζοηλεκτρισμού. Ακολούθως κατασκευάστηκαν οι νανογεννήτριες σε kapton σε δύο υλοποιήσεις με διαφορετικό σχεδιασμό. Η ανάπτυξη των νανοδομών ZnO έγινε με υδροθερμική μέθοδο σε χαμηλή θερμοκρασία. Ο χαρακτηρισμός των διατάξεων έγινε με την χρήση εμβόλου σε διάφορες συνθήκες μηχανικής διέγερσης. Επιπρόσθετα μελετήθηκε η επίδραση της εναπόθεσης μονωτικών υμενίων στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκε κύκλωμα τετραπλασιαστή για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας σε πυκνωτή, όπου οι τιμές ισχύος εξόδου κυμάνθηκαν μεταξύ 0,29 - 13.2 nW. Τέλος, μελετήθηκε για πρώτη φορά η ανάπτυξη νανοδομών ZnO, όχι στην επιφάνεια αλλά στον όγκο υποστρωμάτων χαρτιού με στόχο την ανάπτυξη 3-διαστατων πιεζοηλεκτρικών υλικών με βελτιωμένα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά υποστρώματα χαρτιού και μελετήθηκαν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοδομών σαν συνάρτηση του υποστρώματος και των συνθηκών ανάπτυξης των νανοδομών. Από την ανάλυση των πειραμάτων εξήχθησαν χρήσιμες πληροφορίες για την ανάπτυξη 3-διάστατων πιεζοηλεκτρικών υλικών για την κατασκευή νανογεννητριών συλλογής μηχανικής ενέργειας από το περιβάλλον αλλά και 3-διάστατων αρχιτεκτονικών νανοραβδίων/νανοδομών για εφαρμογή σε άλλα πεδία ενδιαφέροντος όπως χημικοί αισθητήρες, φωτοβολταϊκά, κτλ.