Frequency-Multiplication High-Output Triboelectric Nanogenerator for Sustainably Powering Biomedical Microsystems

纳米发生器 摩擦电效应 材料科学 光电子学 能量收集 功率密度 微系统 电压 机械能 电气工程 整改 发光二极管 二极管 纳米技术 功率(物理) 压电 工程类 复合材料 量子力学 物理
作者
Xiaosheng Zhang,Mengdi Han,Renxin Wang,Fu-Yun Zhu,Zhihong Li,Wei Wang,Haixia Zhang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (3): 1168-1172 被引量:627
标识
DOI:10.1021/nl3045684
摘要

An attractive method to response the current energy crisis and produce sustainable nonpolluting power source is harvesting energy from our living environment. However, the energy in our living environment always exists in low-frequency form, which is very difficult to be utilized directly. Here, we demonstrated a novel sandwich-shape triboelectric nanogenerator to convert low-frequency mechanical energy to electric energy with double frequency. An aluminum film was placed between two polydimethylsiloxane (PDMS) membranes to realize frequency multiplication by twice contact electrifications within one cycle of external force. The working mechanism was studied by finite element simulation. Additionally, the well-designed micro/nano dual-scale structures (i.e., pyramids and V-shape grooves) fabricated atop PDMS surface was employed to enhance the device performance. The output peak voltage, current density, and energy volume density achieved 465 V, 13.4 μA/cm(2), and 53.4 mW/cm(3), respectively. This novel nanogenerator was systematically investigated and also demonstrated as a reliable power source, which can be directly used to not only lighten five commercial light-emitting diodes (LEDs) but also drive an implantable 3-D microelectrode array for neural prosthesis without any energy storage unit or rectification circuit. This is the first demonstration of the nanogenerator for directly driving biomedical microsystems, which extends the application fields of the nanogenerator and drives it closer to practical applications.
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