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压电式纳米发电机的发明是纳米技术发展史中的一个重要里程碑。它首次实现了半导体和压电体双重性能的耦合,在纳米尺度上将机械能转化为电能,为纳米器件的供电问题提出了解决方案。这一技术在大大减小电源尺寸的同时,将有效提高能量收集的范围与效率,在集成系统的微型化方面具有深远的影响。本文以压电式纳米发电器件在微纳米系统电能供应中的需求为背景,以一维ZnO纳米结构作为压电材料基础,建立了载流子影响下弯曲ZnO纳米棒的压电电势分布的计算模型,在AFM系统中详细分析了基于ZnO纳米棒阵列的压电式纳米发电机的放电机制,继而提出并实现异质结直流压电式纳米发电器件以及平行阵列交流压电式纳米发电器件的构想。采用低温水热法,将ZnO纳米晶粒修饰的衬底置于Zn(NO3)2和HTMA反应体系中,外延生长高取向的ZnO纳米棒阵列。表征结果显示,ZnO纳米棒阵列具有高度的取向一致性,纳米棒沿c轴方向垂直衬底择优生长,具有六方纤锌矿晶体结构,且结晶状态良好。以端部受AFM探针横向力作用而发生弯曲的ZnO纳米棒为模拟对象,采用一次压电效应近似,建立计算弯曲ZnO纳米棒压电电势分布的连续模型。模型以解析解的形式显示,弯曲ZnO纳米棒的压电电势分布与c轴无关,且在拉伸区域(正电势)和压缩区域(负电势)成反对称分布。在连续模型的基础上,进一步建立计算载流子影响压电电势分布的有限差分模型。模型的数值计算结果表明,ZnO纳米棒在典型的载流子浓度下,载流子受压电电场作用而重新分布,形成的内建场部分中和了压电电场,但不能完全屏蔽压电电势。1 ?101 7 cm-3采用镀Pt的导电AFM探针研究了Pt/ ZnO肖特基结压电式纳米发电机的工作机制。通过分析形貌与电流信号之间的对应关系,结合压电电势分布以及Pt/ ZnO肖特基结的整流效应,对压电式纳米发电机的放电过程进行细致的描述。在针尖弯曲ZnO纳米棒的过程中逐步积累压电电势,当针尖扫描到纳米棒端面负电势区域时,肖特基结导通并同时释放出压电电能。采用掺氮金刚石AFM探针接触扫描ZnO纳米棒阵列,探测到峰值达35 pA的电流输出信号,高达95%的被扫描ZnO纳米棒发生了放电现象,实现了利用异质结的整流效应控制压电电能积累和释放的方案。实验研究了Au/ ZnO肖特基结直流压电式纳米发电器件,对器件的I-V特性、电流输出特性、正反接以及并联特性进行深入的研究。提出p-Si/ n-ZnO异质结直流压电式纳米发电器件的构想。以表面经微电化学催化腐蚀法修饰后的p型硅片作为器件的上电极,得到p-Si/ n-ZnO异质结直流压电式纳米发电器件。以超声驱动器件输入机械能的方式,实现器件直流电流的输出。直流压电式纳米发电器件的正反接测试以及并联测试均获得预期的结果,说明直流信号来自于器件本身,排除了系统噪声以及外界干扰的可能。提出一种新型结构的交流压电式纳米发电器件,该器件基于平行于柔性衬底的ZnO纳米棒阵列,使大量发电单元得到串联和并联,从而提高器件的电能输出功率。采用改进的CVD方法制备高长径比的ZnO纳米棒阵列,经接触印刷将其转移到Kapton柔性衬底上,经光刻-蒸镀-剥离工艺在纳米棒阵列上沉积Ag电极阵列,由PDMS封装后得到交流压电式纳米发电器件。通过弯曲-恢复该柔性纳米发电器件向其输入机械能,器件输出峰值为2.5 nA的交变电流,电能输出相对以往该型器件有大幅提升。