随着人们对纳米材料及纳米技术研究的不断深入,近年来纳米器件的相关研究取得了突飞猛进的发展,纳米器件的应用已涵盖了机械、电子、能源、环境、生物、医药及信息安全等诸多领域。其中,纳米氧化锌(ZnO)材料作为一种兼具半导体性能和压电性能的功能材料,具有良好的热稳定性和生物相容性,被广泛用于制备各种功能器件,在光电、压电、热电、铁电等各个领域有着重要的研究价值,目前已成为学术界研究的一个焦点。随着科学技术的不断进步,移动便携式电子设备成为当今社会的一大趋势,无论是在人际交流、个人健康监测亦或者是环境监测等方面,移动便携式电子设备都是不可或缺的装置。然而供能问题成为制约这些可穿戴式电子设备发展的关键瓶颈问题。基于纳米ZnO材料的新型能量采集器在可穿戴电子设备、柔性显示、电子皮肤及自驱动传感等领域具有重要的应用价值。本论文围绕ZnO纳米材料制备及其在能量收集器、摩擦发电机和自驱动触觉传感器的应用与传感机理等相关问题,开展了一系列研究工作,主要内容包括以下几个部分:(一)纳米氧化锌在振动式压电能量收集器中的应用及其机理研究本文提出了一种新型的音叉形结构的悬臂梁式振动型压电能量收集器,并通过COMSOL软件对这类悬臂梁式振动型压电能量收集器的性能进行了有限元模拟分析,探究了不同悬臂梁形状及结构参数对输出性能的影响。在此基础上,以聚酰亚胺膜(Kapton膜)为基底,采用低温水热法合成了氧化锌纳米棒作为功能层,完成了音叉形结构的悬臂梁式振动型压电能量收集器的实物制备及其性能测试。测试结果表明,当振动台的振动频率为13 Hz的时候,音叉形结构的悬臂梁式振动型压电能量收集器的输出电压达到最大约160 mV,输出电流达到最大约11 nA。通过阻抗测试实验,表明所设计制作的音叉形能量收集器的最佳匹配阻抗约为9 MΩ。通过该音叉结构的使用,能够有效降低悬臂梁的谐振频率,从而使得悬臂梁型振动式能量收集器能够在更低频率下工作。(二)纳米氧化锌在摩擦发电机中的应用及其机理研究本文提出了一种新型的以氧化锌微球作为摩擦发电机功能层的表面修饰方法,进而改善摩擦发电机的输出性能。本部分首先从理论模拟出发,采用平板式电容的工作原理,模拟研究材料表面的平膜、方柱、圆柱、金字塔等不同表面微结构修饰对摩擦发电机性能的物理影响机制。结果表明,金字塔结构对表面进行微修饰之后器件具有最优的输出性能。在理论设计基础上,通过微加工手段制备了具有金字塔微结构修饰的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,应用水热法在金字塔的顶端合成了氧化锌微球,实现了对薄膜的二次修饰,提高了三明治式摩擦发电机的电能输出。其次,通过实验手段分析测试了所制备发电机的电学性能。结果表明,输出电压和电流均随工作频率的增加逐渐增大;在100 Hz时,其开路电压高达57 V,短路电流面密度达到59 mA/m2;在2 MΩ负载条件下,纳米摩擦发电机最大瞬时功率密度为1.1 W/ m2,点亮了 30颗商用LED。稳定性实验显示所制作的发电机在经过10万个循环之后,其输出仍维持在57 V左右,展现了较好的稳定性;具有氧化锌微球修饰的纳米摩擦发电机的电学输出性能约为无氧化锌微球修饰的2.3倍。因此,在柔性PDMS金字塔塔尖生长的纳米氧化锌的二次表面结构修饰对提高纳米摩擦发电机的电学性能有着明显效果。(三)氧化锌纳米材料在自驱动触觉传感中的应用及其机理研究本文开展了基于纳米氧化锌棒的阵列型柔性触觉传感器的材料制备、结构设计和器件工艺研究。结合压电材料独有的压电理论,利用多物理场耦合软件及有限元算法,探究了氧化锌纳米棒直径、长度、分布密度与压电电学性能的物理关联机制;在薄膜基底上成功制备了阵列型柔性触觉传感器;并对触觉传感器阵列的压力响应和弯曲形变响应进行了深入研究;结果表明,在100 Pa-1 MPa压力范围内,传感器输出电压随外力作用呈较好的线性关系;当外力为1 MPa时,其电压输出约为0.32 V;在0 - 20 mm压缩范围内,传感器输出电势随压缩距离的增大呈先增大再减小的关系;当压缩距离为15 mm时,传感器阵列中心单元具有最大的电压输出约为0.26 V;在此基础上,通过LabVIEW软件系统及DAQ数据采集卡搭建了传感器的数据采集及显示系统,揭示了阵列型柔性触觉传感器表现出较好的电子皮肤性能,可以用于机器人的手臂或人体假肢感测外界触摸动作及压力;并能够在软件前面板中以LED灯的熄灭以及色图的形式显示触摸压力的有无、位置及大小,结合多通道数据采集技术及传感网络反馈控制技术,可实现多点触控显示及压力的自驱动传感等功能。所研制的传感阵列,能够实现无源自驱动柔性触觉传感,具有重要的研究价值和广阔的应用空间。本文采用基于压电方程的多物理场耦合有限元分析方法,从理论上进一步探究了纳米氧化锌材料参数对压电性能以及表面形貌对摩擦发电性能的影响机制;在此基础上,开展了以纳米氧化锌为关键材料的音叉形悬臂梁式能量收集器、摩擦发电机以及触觉传感器的研制工作;研究结果表明,设计制作的功能器件能够有效降低谐振工作频率,提高电性能输出,并能够实现无源自驱动传感,为自供能纳米能源系统及应用的开发集成提供了有力的理论指导,具有十分重要的研究价值和科学意义。