纳流体沟道动电特性及其发电应用

发布时间：2020-08-11 13:11

【摘要】：由于化石燃料的逐渐枯竭和不断增长的能源需求,从环境中收集清洁能源对于人类文明的可持续发展具有重要意义。除了广泛研究的太阳能和生物力学能外,流体中存在的能量因其储备量大和无污染的特性而被广泛认为是最重要的能源之一。同时,以纳米机电系统为代表的新一代纳米尺度功率与电子器件正在蓬勃发展,它们在国防与民用领域的应用前景是无比广大的。而这类新兴的纳米尺度器件与设备通常是在极低的工作电压与极低的功耗下工作,与之匹配的就要求纳米尺度的发电装置,即纳米发电机。因此,基于纳米沟道几何形状和表面材料可调的优势,纳流体沟道体系已被提出作为利用纳流体进行能量转换的新候选者。尽管该领域过去数十年中取得了显著的进步,然而,纳流体能量转换效率的提高仍是当前研究工作面临的重要挑战。掌握单个纳流体器件的性能是提高能量转换效率的基石。本文详细讨论了影响纳流体能量转换的因素,并进一步提出提高能量转换效率的方法。首先,基于纳流体器件的机械能与电能的转换,本文首次提出了短沟道效应并讨论其对纳流体能量转换效率的影响。由于壁面电荷引起的纳米孔离子选择性能够诱导体系流体和离子运动的强烈耦合。这种相互作用促使纳米孔有望作为电动能量转换的纳米器件。然而,当沟道长度非常短时,孔内的流体和离子运动受到孔末端离子耗尽/累积的影响,本文将这种现象称之为短沟道效应。基于三维电动力学建模和仿真,此工作分别讨论了在壁面光滑/不光滑以及存在纳米孔双锥角的条件下,短沟道效应对纳米孔电阻、流体阻抗、流动电导的影响。此工作的研究结果表明,通过利用短沟道效应和制备壁面光滑的纳米孔,在高盐浓度下,能量转换效率可以显着提高至约9%。其次,基于纳流体器件的化学热能转化电能,本文讨论了超薄MoS_2纳米孔体系中的动电输运机制。最近的实验表明,当单原子层MoS_2纳米孔两端施加KCl浓度梯度时,将诱导出巨大的电渗效应,从而展示了超薄纳米孔作为发电机的应用前景。然而相关物理机制并不清楚,此工作就此深入讨论了MoS_2纳米孔体系中离子输运的动电机制。通过考虑膜表面化学反应,此工作发现纳米孔孔内和孔外的表面电荷对于跨孔离子输运具有深远的影响,这揭示了MoS_2体系中较大的开路电压和高电导等有趣实验结果背后的物理图景。该工作建立了一个能够处理超薄膜器件表面电荷的理论模型,同时可以用于评估用二维材料构建的纳米孔发电机的能量转换性能。最后,基于微电子工艺制备了浓差纳流体发电机。电渗能被认为是未来的清洁和可再生能源。当纳米沟道两端施加盐浓度梯度时,盐浓度梯度蕴含的吉布斯自由能将转换为电渗能,因此浓差纳流体发电机对于电渗能的收集起着重要作用。在这部分工作中,制备了基于二氧化硅纳米沟道的浓差纳流体能量收集系统,其输出功率密度在适当的KCl浓度梯度下可达到705 W/m~2,超过了之前报道的类似实验结果约两个数量级。输出功率的增强主要归因于适中长度的纳米沟道,其在理想的离子选择性和对输出功率不利的纳米沟道大电阻之间取得了良好的平衡。这种高性能纳流体能量收集器件可满足各种应用需求,包括生物医学微型供电设备和构建未来的清洁能源回收设备。综上所述,本论文从纳米孔/纳米沟道形状、沟道长度、材料、壁面粗糙程度等出发,探讨这些因素对纳流体沟道动电特性以及能量转换效率的影响,提出了提高能量转换效率的方法,同时通过微电子工艺制备了基于盐浓度梯度的纳流体发电机。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31
【图文】：

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图 1-1（A）纳米沟道阵列的制备方法，（B）沟道的横截面结构[18]电子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）L 是使用电子束将图案直接曝光在衬底表面的光刻胶中，然后通过刻蚀光刻技术的延伸应用。光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影光波长越短，光刻能够达到的精度越高。根据德布罗意物质波理论，电子极短的波。这样，EBL 的精度可以达到纳米量级。然而，由于图案是按而不是同时曝光，因此非常耗时，导致生产效率远远低于传统光刻，同时相对较高，因此 EBL 不适用于在整个晶片上进行大面积曝光，也不适用备纳米沟道。但 EBL 却是制备小型或特殊结构的二维纳米沟道的有效方究者通过选择性去除曝光的正光刻胶或未曝光的负光刻胶来实现 2D纳米。例如，显影去除曝光的正光刻胶仅保留衬底的所需部分，并通过 RIE 案转移至衬底上[22]。相反，去除未曝光的负光刻胶会在衬底上留下凸起

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华中科技大学博士学位论文硅母模到聚合物层的纳米沟槽的复制过程，如图 1-2（a）所示。其中 Si 母子束光刻制备，硅母模用氧气等离子体处理后，浸没 APTMS（3-氨丙基三氧烷）中以便将氨基硅烷移植到硅母模表面，将足够的 PDMS 滴在氨基硅表面上以覆盖整个表面。接下来将 NOA63 预聚物倒在 200mm 厚的 PET 并将 PDMS 覆盖的母模压在 NOA63 预聚物上，随后将预聚物暴露于 UV 。固化后，将复制的 NOA63 纳米沟槽从母模上剥离。第二步，首先用氨基到 NOA63 纳米沟槽的表面，然后用薄层 PDMS 覆盖，如图 1-2（b）所示通过阳极键合的方法用玻璃盖片密封 NOA63 纳米沟槽，如图 1-2（c）所 200nm 和深 500nm 的二维纳米沟道阵列的制备。除此之外，纳流体器件以通过电子束诱导刻蚀来成形，以制备更小的特征尺寸[24]。 EBL 还可以将金属膜沉积到衬底上以在纳米沟道阵列中形成纳米线间隙电极[25, 26]。

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掩蔽部分离子束，使产生的沟道宽度逐渐变窄[33]。然后，通过化学刻蚀去除金属（图1-3（b））。最后，用盖片密封特征宽度小于 5nm 的纳米沟道（图 1-3（c））。鉴于 FIB研磨直接写入的特征，这些纳米沟道易于与使用标准光刻和湿法蚀刻方法制备的微沟道连接。图 1-3 基于 FIB 研磨工艺的纳米沟道制备示意图[32]。（a）通过厚金属膜研磨纳米沟道，（b）使用刻蚀溶液去除金属膜，（c）用盖片密封纳米沟道。综上所述，FIB 可以在衬底上直接产生纳米特征尺寸并且与其他加工技术兼容，因此在纳流体器件的制备中显示出巨大的应用前景。遗憾的是，由于其直接研磨/沉积的模式，该技术?

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