从纳米器件到纳米系统

从纳米器件到纳米系统

    王中林 物理学博士，美国佐治亚理工学院校董事讲席教授(Regents’ Professor)，佐治亚理工学院工学院杰出讲席教授，中美联合的北京大学工学院先进材料和纳米技术系主任，中国国家纳米科学中心海外主任，中国首批国家自然科学基金海外优秀青年科学家，教育部长江讲座教授，美国物理学会院士。

    诞生于与日俱增的需求

    纳米技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域，在理论与实践上正经历着高速发展。大量新型纳米材料与器件不断被开发出来，并在生物医学、国防以及人民日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。然而，纳米技术发展到今日，大量的研究都集中于开发高灵敏度、高性能的纳米器件，几乎还没有任何关于纳米尺度的电源系统研究。但是，应用于生物及国防等方面的纳米传感器对这种电源系统的需求却与日俱增。例如，无线纳米系统对于实时同步内置生物传感器和生物医药监控、生物活体探测具有重大意义。任何生物体内置的无线传感器都需要电源，一般来说，这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。如果这些传感器能从生物体内自己给自己提供电源，从而实现器件和电源的同时小型化是科学家们一直梦寐以求的。因此，开发出能将运动、振动、流体等自然存在的机械能转化为电能，从而实现无需外接电源的纳米器件的新型纳米技术具有极其重要的意义。这一技术在大大减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率，在集成纳米系统的微型化方面表现出深远的影响。

    最近，我们利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，成功地在纳米尺度下将机械能转化成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机。这种纳米发电机是在具有竖直结构的氧化锌纳米线的基础上研制而成的。我们用导电的原子力显微镜探针将竖直的氧化锌纳米线弯曲，输入机械能。同时，氧化锌纳米线的压电效应使电荷产生极化，将机械能转化为电能。由于氧化锌的半导体特性，用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内，然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，并向外界输电，从而完美地实现了纳米尺度的发电功能。更重要的是，这一纳米发电机能达到17%～30%的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了原理和理论基础。

    氧化锌纳米线之所以能完成机械能到电能的高效转变，与其同时具有半导体以及压电特性密切相关。常规的压电材料，如PZT等，通常为绝缘体。尽管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化，但由于它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒，因而无法实现电荷积累到释放这一转变过程。因此，虽然目前有部分研究利用常规压电材料做电源，但都需要一个复杂的外接电路来实现电荷的积累，很难达到器件的真正微型化。

    更重要的是，常规压电材料由于化学成分及晶体结构较复杂，很难合成出高质量的具有纳米尺度的结构。因此高的输出功率只能通过增加尺寸和外界作用力来实现，无法实现小尺寸与大功率的有机结合。相反，氧化锌作为一种新型半导体压电材料，具有比较简单的化学成分与晶体结构。我们实验室通过几年的研究，已经能大量合成出一系列不同形貌的氧化锌纳米结构，并能较好地控制其纯度、尺寸、形貌以及晶体结构。这为大功率的纳米发电机的开发提供了重要的物质基础。纳米线的直径很小，通常不到100纳米，但其长度却可以达到数微米。极大的纵横比使得很小的作用力便能将氧化锌纳米线弯曲而产生电势差。因此，只要能实现大量竖直纳米线在较小作用力下连续进行弯曲—伸直这一过程，具有较大输出功率的纳米发电机就有可能得以实现。

    可以预见的广阔前景

    纳米发电机的发明，有可能是纳米科技发展中的一个重要里程碑，有几个理由：

    第一，它首次实现了半导体和压电体双重性能的耦合，为探索该过程中的物理机制奠定了基础。第二，它的出现为从纳米器件飞跃到纳米系统提出了具体的技术路线。纳米器件的研究与开发是当今纳米技术领域的最前沿。纳米器件具有尺寸微小(纳米量级)、功耗小、灵敏度高等宏观器件所不完全具备的独特优势。然而目前为这些先进的纳米器件供电的依然是常规的宏观电源。纳米发电机的发明提出了解决纳米技术中这一极其要害问题的方案，它使得纳米器件的能量供给系统与工作系统同时都能达到纳米量级，从而保持了自备电源的完整、纳米器件系统的微小、可体内植入等特性。第三，它不仅为实现整个纳米器件工作系统的真正小型化奠定了原理基础，同时还能有效地收集生物体内甚至自然界中一直被忽略的微量运动机械能来满足纳米器件正常运转所需的能量。该能量回收过程将有重大的应用前景。第四，它的出现为氧化锌的应用开辟了新天地。目前发表在氧化锌纳米线、纳米棒和纳米带方面的文章急剧增加(见附图)，然而开辟它们的新应用仍然是严峻挑战。最后，氧化锌具有独特的生物可降解性和生物相容性，因此它可以被用于人体内的传感和微系统，这是氧化锌所具有的非常独特的性能。

    纳米发电机在生物医学领域同样具有重要的应用价值：生物体的各种运动能产生或多或少的能量。以人为例，血液的流动产生的能量约为0.93瓦，呼吸也能产生0.83瓦的能量，人行走可以产生67瓦的能量。人体内血压的变化、血液的流动、肌肉的伸缩、肺叶的扩张等等均能带动纳米发电机上细小的纳米线来回弯曲，从而产生电能。而这些电能则可以直接供给植入人体的其他器件，如心脏起搏器或是其他原位探测传感器等。由于能量的来源是人体本身的运动，这种电源无须更换，从而可以降低患者的痛苦和医疗成本。

    纳米发电机是一种新型的自供能量的纳米技术，它运用独特的方式有可能从人体或外界环境中收集能量提供给纳米器件和系统。它有可能有效地将机械运动能(如人体的运动、肌肉的伸缩、血压的变化等)、振动能(如声波或超声波等)以及水压能(如人体内体液或血液的流动、血管的收缩与舒张甚至是自然界其他任何液体的流动)转换成电能提供给纳米器件。这一纳米发电机为实现自供能、无线纳米传感器和纳米机器人奠定了理论与实际操作的基础。

    然而，要实现纳米发电机的实际应用仍有一段很长的路程。我们必须首先开发多根纳米线同时地不断地输出功率的关键方法和技术。我们要探索纳米线的疲劳和寿命问题，纳米发电机如何有效地把流体能和声波能转换为电能。我们要解决纳米发电机的封装问题以及它和生物体的相互作用等。

    总的来说，纳米发电机的问世为实现集成纳米器件、实现真正意义上的纳米系统打下了技术基础。我们期待纳米发电机未来将在生物医学、国防和人民生活中的广阔应用。