Aujourd'hui, nous sommes entourés d'une variété d'appareils électroniques qui se rapprochent de plus en plus de nous - nous pouvons les attacher et les porter, ou même implanter de l'électronique à l'intérieur de notre corps.

De nombreux types d'appareils intelligents sont facilement disponibles et pratiques à utiliser. L'objectif est maintenant de fabriquer des appareils électroniques portables qui soient flexibles, durable et alimenté par l'énergie renouvelable ambiante.

Ce dernier objectif a inspiré un groupe de chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) à explorer comment les caractéristiques physiques attrayantes des matériaux à base d'oxyde de zinc (ZnO) pourraient être utilisées plus efficacement pour puiser dans d'abondantes sources d'énergie mécanique pour alimenter des micro-appareils. Ils ont découvert que l'insertion de couches isolantes en nitrure d'aluminium dans des dispositifs de récupération d'énergie à base de ZnO entraînait une amélioration significative des performances des dispositifs. Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans la revue Lettres de physique appliquée .

"L'énergie mécanique existe partout, tout le temps, et sous diverses formes - y compris le mouvement, le son et les vibrations. La conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique est une approche fiable pour obtenir de l'électricité pour alimenter le durable, appareils sans fil et flexibles - sans limitations environnementales, " a expliqué Giwan Yoon, professeur au Département de génie électrique de KAIST.

Matériaux piézoélectriques tels que ZnO, ainsi que plusieurs autres, avoir la capacité de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa. « Les nanostructures de ZnO sont particulièrement adaptées comme éléments fonctionnels de nanogénérateur, grâce à leurs nombreuses vertus dont la transparence, biocompatibilité sans plomb, formabilité nanostructurale, stabilité chimique, et propriétés piézoélectriques et semi-conductrices couplées, " a noté Yoon.

Le concept clé derrière le travail du groupe ? Dispositifs flexibles de récupération d'énergie à base de ZnO, alias "nanogénérateurs, " peut être essentiellement composé de nanotiges piézoélectriques de ZnO ou de réseaux de nanofils pris en sandwich entre deux électrodes formées sur les substrats flexibles. En bref, les mécanismes de travail impliqués peuvent être expliqués comme un flux transitoire d'électrons entraîné par le potentiel piézoélectrique.

"Lorsque les dispositifs flexibles peuvent être facilement déformés mécaniquement par diverses excitations externes, les nanotiges ou nanofils de ZnO tendus ont tendance à générer des charges polarisées, lequel, à son tour, générer des champs piézoélectroniques, " a déclaré Yoon. " Cela permet aux charges de s'accumuler sur les électrodes et cela génère un flux de courant externe, ce qui conduit à des signaux électroniques. Soit nous pouvons utiliser les signaux de sortie électriques directement, soit les stocker dans des dispositifs de stockage d'énergie."

D'autres chercheurs ont signalé que l'utilisation de matériaux isolants peut aider à fournir une barrière potentielle extrêmement importante. "C'est pourquoi il est extrêmement important que les matériaux isolants soient soigneusement sélectionnés et conçus - en tenant compte à la fois des propriétés du matériau et du mécanisme de fonctionnement de l'appareil, " a déclaré Eunju Lee, chercheur postdoctoral dans le groupe de Yoon.

À ce jour, cependant, peu d'efforts ont été faits pour développer de nouveaux matériaux isolants et évaluer leur applicabilité aux dispositifs nanogénérateurs ou déterminer leurs effets sur les performances de sortie des dispositifs.

Les chercheurs du KAIST ont proposé, pour la première fois, nouvelles couches piézoélectriques empilées ZnO/nitrure d'aluminium (AlN) à utiliser dans les nanogénérateurs.

« Nous avons découvert que l'insertion de couches isolantes en AlN dans des dispositifs de récolte à base de ZnO entraînait une amélioration significative de leurs performances - quelle que soit l'épaisseur de la couche et/ou la position de la couche dans les dispositifs, " dit Lee. " Aussi, les performances et la polarité de la tension de sortie semblent dépendre de la position relative et de l'épaisseur des couches de ZnO et d'AlN empilées, mais cela doit être exploré plus avant."

Les résultats du groupe devraient fournir une approche efficace pour la réalisation de micro-dispositifs de récupération d'énergie à base de ZnO à haute efficacité énergétique. "Ceci est particulièrement utile pour les systèmes électroniques auto-alimentés qui nécessitent à la fois l'ubiquité et la durabilité - appareils de communication portables, dispositifs de surveillance des soins de santé, dispositifs de surveillance environnementale et dispositifs médicaux implantables, " a souligné Yoon. Et il existe potentiellement de nombreuses autres applications.

Ensuite, Yoon et ses collègues prévoient de poursuivre une étude plus approfondie pour acquérir une compréhension beaucoup plus précise et complète des mécanismes de fonctionnement des appareils. « Nous explorerons également les configurations et les dimensions optimales de l'appareil en fonction du travail d'analyse du mécanisme de fonctionnement, " il ajouta.