I dag, vi är omgivna av en mängd olika elektroniska enheter som rör sig allt närmare oss - vi kan fästa och bära dem, eller till och med implantatelektronik inuti våra kroppar.

Många typer av smarta enheter är lätt tillgängliga och praktiska att använda. Målet nu är att göra bärbar elektronik som är flexibel, hållbar och drivs av förnybar energi från omgivningen.

Detta sista mål inspirerade en grupp Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) forskare att utforska hur de attraktiva fysiska egenskaperna hos zinkoxid (ZnO) -material mer effektivt kan användas för att utnyttja rikliga mekaniska energikällor för att driva mikroenheter. De upptäckte att införande av aluminiumnitridisoleringsskikt i ZnO-baserade energiupptagningsanordningar ledde till en betydande förbättring av enheternas prestanda. Forskarna rapporterar sina fynd i tidskriften Tillämpad fysikbokstäver .

"Mekanisk energi finns överallt, hela tiden, och i en mängd olika former - inklusive rörelse, ljud och vibrationer. Omvandlingen från mekanisk energi till elektrisk energi är ett tillförlitligt tillvägagångssätt för att få el för att driva hållbara, trådlösa och flexibla enheter - utan miljöbegränsningar, "förklarade Giwan Yoon, professor vid Institutionen för elektroteknik vid KAIST.

Piezoelektriska material som ZnO, liksom flera andra, har förmågan att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi, och vice versa. "ZnO nanostrukturer är särskilt lämpliga som nanogenerator funktionella element, tack vare deras många dygder, inklusive transparens, blyfri biokompatibilitet, nanostrukturell formbarhet, kemisk stabilitet, och kopplade piezoelektriska och halvledaregenskaper, "noterade Yoon.

Nyckelbegreppet bakom gruppens arbete? Flexibla ZnO-baserade enheter för skörd av mikroenergi, aka "nanogeneratorer, "kan i huvudsak bestå av piezoelektriska ZnO -nanorod- eller nanotrådsarrays som är inklämda mellan två elektroder som bildas på de flexibla substraten. Kortfattat, de inblandade arbetsmekanismerna kan förklaras som ett övergående flöde av elektroner som drivs av den piezoelektriska potentialen.

"När flexibla enheter lätt kan deformeras mekaniskt av olika externa excitationer, ansträngda ZnO -nanoroder eller nanotrådar tenderar att generera polariserade laddningar, som, i tur och ordning, generera piezoelektroniska fält, "sa Yoon." Detta gör att laddningar kan ackumuleras på elektroder och det genererar ett externt strömflöde, vilket leder till elektroniska signaler. Antingen kan vi använda de elektriska utsignalerna direkt eller lagra dem i energilagringsenheter. "

Andra forskare har rapporterat att användningen av isolerande material kan bidra till att ge en extremt stor potentialbarriär. "Detta gör det ytterst viktigt att isoleringsmaterial väljs noggrant och utformas - med beaktande av både materialegenskaperna och enhetens driftsmekanism, "sa Eunju Lee, en postdoktor i Yoons grupp.

Hittills, dock, det har gjorts få ansträngningar för att utveckla nya isoleringsmaterial och bedöma deras tillämplighet på nanogeneratoranordningar eller bestämma deras effekter på enhetens uteffekt.

KAIST -forskarna föreslog, för första gången, nya piezoelektriska ZnO/aluminiumnitrid (AlN) staplade lager för användning i nanogeneratorer.

"Vi upptäckte att införande av AlN -isolerande skikt i ZnO -baserade skördeanordningar ledde till en betydande förbättring av deras prestanda - oavsett skikttjocklek och/eller skiktposition i enheterna, "sa Lee." Också, utspänningens prestanda och polaritet verkar bero på den relativa positionen och tjockleken hos de staplade ZnO- och AlN -skikten, men detta måste utforskas ytterligare. "

Gruppens resultat förväntas ge ett effektivt tillvägagångssätt för att realisera mycket energieffektiva ZnO-baserade mikroenergiopptagningsanordningar. "Detta är särskilt användbart för självdrivna elektroniska system som kräver både närvaro och hållbarhet - bärbara kommunikationsenheter, hälsoövervakningsenheter, miljöövervakningsanordningar och implanterbar medicinsk utrustning, "påpekade Yoon. Och det finns potentiellt många andra applikationer.

Nästa upp, Yoon och kollegor planerar att genomföra en mer fördjupad studie för att få en mycket mer exakt och omfattande förståelse för enhetens driftsmekanismer. "Vi kommer också att utforska de optimala enhetskonfigurationerna och dimensionerna baserat på analysmekanismen för manövermekanismen, " han lade till.