20、用于振动能量收集装置的压电一维至二维纳米材料

用于振动能量收集装置的压电一维至二维纳米材料

1. 引言

压电材料具有非中心对称的晶体结构，当受到应力导致尺寸变化时，阴离子和阳离子会产生位移，从而产生表面电荷。在各类压电材料中，压电陶瓷是一类人造多晶压电材料，由多个铁电颗粒组成，可通过外部电场极化以呈现宏观压电性。与天然单晶石英相比，压电陶瓷的压电常数（电位移与应力之比）更高，成本更低，因此成为压电设备的主要材料。

压电陶瓷用于能量收集主要有两种工作模式：d33 模式（电荷收集平面垂直于应力方向）和 d31 模式（电荷收集平面平行于应力方向），d33 通常是 d31 的几倍。在 d33 模式下，当压电陶瓷沿极化方向受到应力时，其两个表面会产生正负压电势，该电势源于阴离子和阳离子的位移，而非自由电子的移动。由于压电陶瓷作为半导体有少量自由载流子，部分压电势会被屏蔽，但不会完全抵消。

通过使压电陶瓷变形产生的表面电荷 Q 与电荷收集平面的表面积 A、压电常数 d33 和施加的外部应力 σ 呈线性关系，公式为：
[Q = Ad_{33}\sigma]

为了在一定应力下增加产生的电荷，压电材料应具有较大的表面积和 d33 值。为了收集微弱、低频、不规则的机械振动，压电材料的尺寸应减小到纳米/微米级，以提高灵敏度和可变形性。因此，一维（1D）纳米纤维/纳米线和二维（2D）纳米薄膜是不错的选择。然而，压电纳米材料的压电常数通常比块状压电材料小一个数量级，所以制备具有优异压电性能的纳米材料对于能量收集至关重要。

2. 压电 1 - 2D 纳米材料的制备与表征

2.1 BZT - BCT 纳米薄膜

对于 Ba(Ti₀.₈Zr₀.₂)O₃ - (B