ЮФУ разработал 5×5 мм наногенератор, способный зарядить электронные часы
Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) разработали и испытали первый макет наногенератора, преобразующего энергию вибраций, шума и движений тела в электрическую энергию. Рабочий прототип размером 5 × 5 мм рассматривается как этап в создании автономных источников питания.
"Наш макет представляет собой твердую подложку кремния размером 5 × 5 мм с нанесенным нижним электродом, на которой выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Над вершинами нанотрубок с использованием диэлектрических упоров закрепляется верхний профилированный электрод", — рассказала доктор физико-математических наук, профессор дивизиона "Электроника" Передовой инженерной школы ЮФУ Марина Ильина.
Разработка относится к пьезоэлектрическим наногенераторам: внешние вибрации вызывают деформацию легированных азотом углеродных нанотрубок, что позволяет регистрировать выходной сигнал с электродов на измерительном стенде. Такие технические решения рассматриваются в качестве источника питания для носимой электроники и автономных устройств, в том числе при использовании энергии окружающей среды — городского шума, вибраций и движений тела человека.
"Стоит понимать, что одна нанотрубка диаметром до 100 нм и высотой примерно 2–5 микрометров накапливает ограниченное количество зарядов. Если поместить массив трубок в вибрационный шум, например на двое суток, то затем эти же двое суток массив без дополнительного внешнего воздействия генерирует ток величиной десятков наноампер при сопротивлении нагрузки порядка мегом. В дальнейшем, путем последовательного соединения нескольких таких наногенераторов можно повысить мощность источника питания до уровня, достаточного для зарядки электронных часов", — добавила аспирантка Передовой инженерной школы ЮФУ Ольга Соболева.
Разработчики отметили, что одна из ключевых инженерных задач заключается в создании эффективного верхнего электрода. Углеродные нанотрубки растут перпендикулярно подложке и формируют так называемый "лес", вследствие чего их вершины не закреплены. Контакт верхнего электрода должен одновременно обеспечивать взаимодействие с вершинами нанотрубок и сохранять их подвижность, чтобы не снижалась чувствительность к внешним вибрациям и деформациям. После проведения тестовых измерений изготовленная структура проходит этап корпусирования.
"Перспективы разработки очень широкие: от биомедицинских применений до автономных систем, в частности питания нейроморфных плат. Наша технология позволяет повысить энергоэффективность и значительно уменьшить габариты и вес источников питания. Мощности, потребляемые платами нейроморфной электроники, сопоставимы с мощностями современных наногенераторов. В перспективе возможно создание системы, которая будет автономно питаться без использования литий-ионной батареи или конденсаторов, загрязняющих окружающую среду", — заключила Ильина.
История работы и команда
По словам Ильиной, пьезоэлектрические свойства нанотрубок были выявлены случайно при исследовании электрических параметров отдельных углеродных нанотрубок: тогда обнаружили гистерезис вольтамперной характеристики, связанный с формированием внутреннего электрического поля в процессе измерения. Первые исследования, как уточнила она, провели в 2011 году, первая статья по гистерезису и аномальному поведению электрических параметров вышла в 2012 году, а спустя шесть лет предположения были подтверждены.
Над разработкой работает коллектив сотрудников и студентов ЮФУ. Молодые специалисты неоднократно побеждали в конкурсах Российского научного фонда, получали стипендии правительства РФ и президента, а также гранты на обучение. Дополнительный импульс исследованиям дал запуск федерального проекта "Передовые инженерные школы", позволивший в 2024 году открыть в ЮФУ "умную" фабрику микроэлектроники и фотоники.