一种陶土发电器件及其制作方法、忆阻器自驱动系统

1.本技术属于电子技术领域，尤其涉及一种陶土发电器件及其制作方法、忆阻器自驱动系统。


背景技术：

2.纳米发电技术作为一种新型的微型能量转换技术，利用纳米材料的压电、摩擦、热电和光电效应等现象，将机械、热能和光能等能量形式转化为电能。常见的纳米发电技术有以下四种：压电纳米发电器（peng），利用压电效应将机械能转换为电能。peng由压电材料（如钛酸铅锆钛）组成，当受到机械应力或振动时，会产生电荷。peng可用于从脚步、环境振动甚至心跳等各种源产生电能。peng的优点包括高功率密度和低成本，其缺点包括需要较高的应力水平才能产生大量电能，并且随时间可能会疲劳和损坏。
3.热电纳米发电器（teng），通过温度梯度产生电能，这可以由体热、环境温差或其他源产生。teng通常由两种具有不同热电性质的材料组成，例如铜和铝，它们相互接触。材料之间的温差会在接触点产生电压，可用于为低功率设备供电。teng的优点包括其简单性、低成本和能够从环境温差中产生电能，缺点包括其低效率和有限的功率输出。
4.静电纳米发电器（teng），通过两种具有不同电负性的材料之间的摩擦接触产生电能。摩擦会产生静电荷，可被收集并用于为低功率设备供电。teng可用于从人体运动、风和水流等各种源产生电能。teng的优点包括其高效率和多功能性，缺点包括需要持续的机械运动才能产生电能，并且随时间可能会磨损。
5.光伏纳米发电器（pvng），利用光电效应将光能转换为电能。pvng通常由半导体材料（如硅或砷化镓）组成，可以吸收光并在材料上产生电压。pvng可用于从阳光或室内照明等环境光源产生电能。pvng的优点包括其高效率和能够从环境光源产生电能，缺点包括高成本和有限的功率输出。
6.近年来，上述几种纳米发电技术已经在微型能源供应、传感器和无线通信等领域得到了广泛的应用。同时纳米发电技术也面临着制作工艺复杂、制作成本高昂、稳定性差、产生的电流和电压通常非常微弱等问题。


技术实现要素：

7.本技术实施例的目的在于提供一种陶土发电器件的制作方法，旨在解决当前纳米发电技术也面临着制作工艺复杂、制作成本高昂、稳定性差、产生的电流和电压通常非常微弱等问题。
8.本技术实施例是这样实现的，一种陶土发电器件的制作方法，包括：在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为电极；在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，得陶土发电器件。
9.本技术实施例的另一目的在于一种陶土发电器件，所述陶土发电器件是由上述的陶土发电器件的制作方法制作得到。
10.本技术实施例的另一目的在于一种忆阻器自驱动系统，所述忆阻器自驱动系统包括上述的陶土发电器件。
11.本技术实施例提供的陶土发电器件的制作方法，通过在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为陶土发电器件的电极，以及在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，不仅制备方法简单，成本低，且所制作得到的陶土发电器件可以持续的输出稳定的电压/电流，通过将这种基于陶土的纳米发电器件与忆阻器集成在一起，可以实现对忆阻器的自驱动系统。
附图说明
12.图1是本技术实施例提供的四种陶土与陶土发电器件的示意图；图2是本技术实施例提供的chi760e与测试过程的示意图；图3是本技术实施例提供的四种陶土发电器件两端产生的电流电压图；图4是本技术实施例提供的两个陶土发电器件串并联时产生的电流电压图；图5是本技术实施例提供的陶土发电器件驱动忆阻器的示意图；图6是本技术实施例提供的紫土发电器件驱动忆阻器时忆阻器的输出电流与时间的关系图以及单个紫土发电器件的耐久性测试结果；图7是本技术实施例提供的单个陶土器件伏安特性曲线图；图8是本技术实施例提供的针对紫土材料的化学性能测试与分析结果。
实施方式
13.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
14.本技术实施例为了解决当前纳米发电技术也面临着制作工艺复杂、制作成本高昂、稳定性差、产生的电流和电压通常非常微弱等问题，提出了一种使用陶土制备的发电器件。
15.具体地，本技术提出的使用陶土材料制备纳米发电器件具有取材方便、制备方法简单、稳定性强等特点，实验中采用的紫土、黑土、黄土、红土四种陶土都可以持续的输出稳定的电压/电流。将这种基于陶土的纳米发电器件与忆阻器集成在一起，实现对忆阻器的自供电系统，赋予该系统类似生物的突触功能，可用于构建神经形态计算系统。
16.在本技术实施例中，所述陶土发电器件的制作方法，包括：在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为电极；在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子水得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，得陶土发电器件。
17.其中，陶土是一种陶瓷原料，其在中国有着广泛的分布、取材方便，并且含有的矿物成分比较复杂，主要由水云母、高岭石、蒙脱石、石英及长石所组成的粉砂——砂质粘土；
其化学成分与一般粘土相似，包括al2o3、sio2、fe2o3等。得益于陶土中丰富的矿物元素种类，使用陶土制作纳米发电器件的制备方法简单、成本低且具有良好的稳定性，本技术实施例虽然仅以紫土、黑土、黄土、红土四种陶土为例，但并不因以此限制本技术的保护范围。
18.其中，上述四种陶土分别为重庆紫土、云南红土、东北黑土、陕西黄土。将上述陶土粉碎成陶土粉末，粉碎粒径优选为100-500μm，本技术实施例中所用陶土粉末粒径均为100μm左右。值得注意的是，陶土粉碎粒径不宜过大时，当粒径过大时如粒径超过500μm，所得陶土发电器件将不具备发电性能。
19.其中，所述金属丝可以为常规的金属电极材料如金、银、铂、钯、铱、铜及其一些合金等，虽然本技术实施例仅以铜丝为例，但并不因以此限制本技术的保护范围。
20.其中，所述酸溶液的使用目的在于除去棉线表面的胶、硅油等物质，虽然本技术实施例仅以盐酸溶液作为示例，但不因以此限制本技术范围，另外，本技术实施例将棉线浸泡在盐酸溶液中5分钟后取出，然后使用干燥箱将其烘干，此时盐酸已经完全挥发，所以不同质量分数的盐酸溶液对发电器件的效果没有影响。
21.其中，本技术对于用于放置陶土粉末的装置的选择没有特定的要求，在本技术实施例中使用塑料管放置陶土粉末的原因主要在于塑料管本身的绝缘性质对实验结果没有影响，同时塑料管便于获取；而对于采用长度为4cm内径为2.5mm的塑料管，是本技术实施例在经过多次试验后得出的比较合适的尺寸。
22.本技术实施例还提供了一种陶土发电器件，所述陶土发电器件是由上述的陶土发电器件的制作方法制作得到。
23.本技术实施例还提供了一种忆阻器自驱动系统，所述忆阻器自驱动系统包括上述的陶土发电器件。
24.以下结合具体实施例对本技术的具体实现进行详细描述。
25.分别将红土、黄土、黑土、紫土四种陶土（图1a）充分研磨成粉末状，并将其填充在长为4cm内径为2.5mm的硬质聚四氟乙烯塑料管中，在塑料管两端插入直径0.5mm的铜丝，作为陶土器件两端的电极，将棉线在5%的盐酸溶液中浸泡5分钟后取出放至干燥状态，取1～2cm棉线放入塑料管的一端（图1b），在放有棉线的一端滴5-6滴去离子水，去离子水将会通过棉线渗透进入塑料管中，不断浸湿塑料管中的陶土，分别获得红土发电器件、黄土发电器件、黑土发电器件以及紫土发电器件。
26.分别对上述实施例所制备得到的红土发电器件、黄土发电器件、黑土发电器件以及紫土发电器件进行相关电学性能测试以及化学性能测试，具体测试方法以及测试结果如下所示：在制备好陶土纳米发电器件后，采用电化学工作站（chi760e）分别对上述红土发电器件、黄土发电器件、黑土发电器件以及紫土发电器件的性能进行测试（图2a）。其中，chi760e是一种通用的双恒电位仪，可同时控制同一电解池中的两个工作电极的电位，其典型应用是旋转环盘电极，也能被用于其它需要双工作电极的情况下。这里本技术实施例主要使用chi760e的时间-电流曲线和开路电位-时间曲线两个功能完成对陶土纳米发电器件电学性能的测试，测试中使用两电极系统，其接线方式如下：绿色夹头接工作电极，红色和白色夹头接另一电极（图2b）。
27.测试结果如图3所示，图3分别示出了四种陶土器件产生的电压值和电流值。即分
别用红土、黄土、黑土、紫土四种陶土制备陶土发电器件，使用电化学工作站（chi760e）测量陶土器件产生的电流电压值，当塑料管中的陶土被去离子水全部浸湿后，陶土器件达到稳定状态，此时的陶土器件可以持续产生稳定的电流电压。四种陶土器件的电压值在1000s内都可以稳定在0.5v左右（图3a），四种陶土器件的电流值在1000s内都可以稳定在1.5ua左右（图3b）。
28.进一步，分别将两种陶土发电器件进行串并联测试，测试结果如图4所示，其中，图4a为两个黑土器件串联、并联时产生的电压值，图4b为两个紫土器件串联、并联时产生的电压值，图4c为两个黄土器件串联、并联时产生的电压值，图4d为两个黑土器件串联、并联时产生的电流值，图4e为两个紫土器件串联、并联时产生的电流值，图4f为两个黄土器件串联、并联时产生的电流值。
29.从中可以看出，将两个陶土器件串联在一起，串联后两端电压值变为单个器件能输出的电压值的二倍，电流值与单个器件能输出的电流值相同（图4a-c）；将两个陶土器件并联在一起，并联后两端电压值与单个器件能输出的电压值相同，电流值变为单个器件能输出的电流值的二倍（图4d-f），因此，该陶土发电器件可以作为忆阻器驱动电源，同时满足基尔霍夫定律(kirchhoff laws)。
30.进一步，由于单个陶土发电器件可以稳定输出0.5v的电压，同时串并联时满足基尔霍夫定律，所以它可以作为忆阻器的驱动电源，实现忆阻器的set和reset操作，这里采用了一个驱动电压为0.5v的忆阻器，将单个陶土发电器件产生的电压施加到忆阻器两端（如图5所示），同时使用电化学工作站（chi660d）观测忆阻器在接受到紫土发电器件施加的电压后产生的电流（图6a）。
31.在初始阶段（0～50s），忆阻器处于hrs；在第二阶段（50s），当在陶土纳米发电机输出正向电压时，忆电阻器的输出电流急剧增加至约2.5μa，此时忆阻器从hrs切换至lrs，这对应于忆阻器的set操作过程；在第三阶段（50~100s），lrs可以很好地保持；在第四阶段（100s），忆阻器完成复位过程，忆阻器逐渐重新切换到hrs；在第五阶段（100~170s），由于陶土纳米发电机的电极的变化，输出的正偏压反转为负偏压，忆电阻器的输出电流约为-2.0 μa，此时忆阻器再次从hrs切换至lrs；之后，自供电系统进入下一个循环周期（图6a）。因此，根据忆阻器的输出电流显示当集成陶土纳米发电器件后，忆阻器的hrs、set、lrs和reset的所有状态都是可行的。
32.同时单个陶土发电器件拥有良好的耐久性，在长达270个小时的测试中可以持续稳定的产生电压（图6b）。
33.从陶土纳米发电器件在不同扫描电压下的伏安特性曲线（图7）可以看出，该曲线呈现出一定的线性关系，即随着电压的增加，电流也呈现出相应的增加趋势，但是在一定电压范围内，电流增加的速率逐渐变缓，说明发电器件存在电容效应。与常规电池通过化学反应释放电子从而产生电流的发电原理不同，这种电容效应可以通过电荷的积累和释放来产生电压，从而实现发电的效果，它的发电原理类似于电容器。因此，与常规电池相比，这种发电器件具有以下优点：不需要化学反应无需添加任何化学物质，更加环保；同时与化学反应不同，电容效应可以持续产生电压，因此可以持续输出稳定的电流，而不像电池那样随着化学反应进行而逐渐失去能量。
34.进一步，通过对紫土的红外光谱测试（图8a）可以看出，在3400cm-1左右有一个强
吸收峰，表明陶土分子结构中有o-h等含氢基团。紫土在潮湿（红）和干燥（黑）两种不同状态下，o-h单键的波峰变化比较明显，这表明陶土发电器件在工作时会出现水的分解反应，产生了大量游离的h+、oh-离子。在对紫土的x射线衍射（xrd）测试中，主要成分为sio2（图8b）。x射线光电子能谱（xps）的峰位和峰形可以分析出紫土中含有的各种化学元素成分（图8c），同时从峰强可获得陶土中v、o、zn、sb、c、si、al等元素的含量较高，其中v、o、zn三种元素可以形成复杂的钒酸盐。
35.钒酸盐是一种复杂的无机化合物，它有着稳定的四面体结构（图8d），由钒酸根离子和金属离子组成的。钒酸根离子是vo4的负离子，它们通过共面的方式排列在一起形成钒酸盐层状结构。这些层之间由金属离子充当桥梁，连接在一起形成三维晶体。在这个过程中，钒酸根离子的负电荷会通过共振稳定在层状结构中，形成稳定的钒酸盐晶体。这种层状结构为离子的穿梭提供了更多的机会，并且具有更好的稳定性，因此有利于产生电势差和电容效应。图8e为不同ph值的钒酸盐溶液形成的电势差的定性原理计算结果，紫土溶液的ph值约为7.9，从图中可以判断陶土发电器件能形成0.5~1v的电势差。
36.图8f是基于定性原理计算提出的离子穿梭物理模型，在实验中陶土内的钒酸盐在遇到去离子水后会发生水解反应，其中钒酸根离子与水分子结合生成h+和vo2+离子，同时溶液中的oh-离子也会与vo2+离子反应生成vo(oh)2+离子，这些离子在陶土发电器件中扮演着重要角色。钒酸盐的晶体结构形成的层状结构中，水解反应产生的离子会在晶体内部进行扩散和运动，而在水溶液中h+和oh-离子的移动则会导致晶体内部电荷的重新分布，产生电势差。因此，层状结构与水解反应的组合为钒酸盐晶体提供了一种特殊的离子通道和电化学反应的场所，使得钒酸盐可以产生电势差，当电极与陶土发电器件相接触时，这些离子会向电极移动，形成电荷积累，导致电极之间产生电势差，从而产生电压。因此，钒酸盐水解是陶土发电器件中产生电容效应的关键步骤。
37.综上，本技术实施例提供的陶土发电器件的制作方法，通过在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为陶土发电器件的电极，以及在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，不仅制备方法简单，成本低，且所制作得到的陶土发电器件可以持续的输出稳定的电压/电流，通过将这种基于陶土的纳米发电器件与忆阻器集成在一起，可以实现对忆阻器的自驱动系统。
38.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。
39.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种陶土发电器件的制作方法，其特征在于，包括：在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为电极；在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，得陶土发电器件。2.根据权利要求1所述的陶土发电器件的制作方法，其特征在于，所述陶土粉末为红土、黄土、黑土、紫土中的一种或任意几种粉末。3.根据权利要求1所述的陶土发电器件的制作方法，其特征在于，所述陶土粉末的粒径为100-500μm。4.根据权利要求1所述的陶土发电器件的制作方法，其特征在于，所述金属丝为铜丝。5.根据权利要求1所述的陶土发电器件的制作方法，其特征在于，所述酸溶液为盐酸溶液。6.根据权利要求1所述的陶土发电器件的制作方法，其特征在于，所述装置为塑料管。7.一种陶土发电器件，其特征在于，所述陶土发电器件是由权利要求1-7任一项所述的陶土发电器件的制作方法制作得到。8.一种忆阻器自驱动系统，其特征在于，所述忆阻器自驱动系统包括权利要求8所述的陶土发电器件。

技术总结
本申请适用于电子技术领域，提供了一种陶土纳米发电器件及其制作方法、忆阻器自驱动系统；其中，所述陶土纳米发电机的制作方法包括：在内置陶土粉末的装置的两端插入金属丝，以作为电极；在所述内置陶土粉末的装置的一端放入经酸溶液处理后的棉线，以使去离子得以通过所述棉线渗透入所述内置陶土粉末的装置内，得陶土发电器件。所制作得到的单个陶土纳米发电器件可以产生1.5μA左右的电流，0.5V左右的电压，在270小时内保持稳定，并且具有制备方法简单、成本低的优点。通过将陶土纳米发电器件与忆阻器集成在一起，实现对忆阻器的自驱动系统。统。统。


技术研发人员：周广东 匡大龙 胡小方 王丽丹 段书凯
受保护的技术使用者：西南大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/8