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.
(EL)
The purpose of this thesis is the design, the manufacturing and the characterization of
nanogenerators on flexible substrates in order to collect mechanical energy from the
vibrations of the surrounding. As a piezoelectric material we selected Zinc Oxide (ZnO)
because of its ecological nature and biocompatibility and applicability to a variety of
substrates. In this paper, as substrates we used kapton and various kinds of paper. Initially,
we analyzed the main energy collection systems and the energy needs in contemporary
society. Then we recorded the greatest piezogenerators in nanostructures and the principles
of piezoelectricity analyzed. Subsequently, the nanogenerators constructed in kapton in two
embodiments with a different design. The growth of ZnO nanostructures was made by
hydrothermal method at low temperature. The characterization of the devices made with a
piston in various mechanical stimulation conditions. Additionally, the effect of depositing
insulating films on electrical characteristics of the devices was studied. Moreover, quadrupled
circuit used for storing the energy generated in a capacitor, where the output power values
ranged between 0,29 - 13.2 nW.
Finally, for the first time the development of ZnO nanostructures was studied, not on the
surface but at the volume of paper substrates to develop three-dimensional piezoelectric
materials with improved electrical characteristics. Different paper substrates were used and
studied the morphological characteristics of the nanostructure as a function of the substrate
and the nanostructure growth conditions. The analysis of the experiments extracted useful
information for the development of three-dimensional piezoelectric materials for the
construction of nanogenerators capable of collecting mechanical energy from the
environment and three-dimensional architectural nanorods / nanostructures for application
in other fields of interest such as chemical sensors, solar panels, etc.
(EN)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
