Piezoelektrischer Nanogenerator

Ein Array von Nanodrähten aus Bleizirkonattitanat wandelt mechanische in elektrische Energie und bringt dadurch eine Laserdiode zum Leuchten.

Mit winzigen Generatoren, die mechanische in elektrische Energie umwandeln können, ließen sich mikro- und nanoelektronische Elemente drahtlos betreiben. Ob in der Sensorik, in der Medizintechnik oder auch in der Unterhaltungselektronik – überall steht mechanische Energie in Form von Schwingungen, Schall oder Körperbewegungen zur Verfügung, die sich nutzen ließe. Zahlreiche Forschergruppen arbeiten daran, mit piezoelektrischen Elementen diese Energieumwandlung möglichst effizient und preiswert durchzuführen. Jetzt stellen Forscher am Georgia Tech einen Nanogenerator vor, der aufhorchen lässt.

Der von Zhong Lin Wang und seinen Kollegen entwickelte Generator enthält mehrere regelmäßige Anordnungen von Nanodrähten aus Bleizirkonattitanat (PZT), die senkrecht auf einer elektrisch leitenden Strontiumtitanatoberfläche aufgewachsen sind. Anders als bisherige PZT-Piezoelemente aus kristallinen dünnen Schichten oder Fasern sind die Nanodrähte sehr flexibel und konnten bei relativ niedrigen Temperaturen von 230 °C hergestellt werden. Dadurch lässt sich ihre Herstellung mit anderen Produktionsverfahren kombinieren. Zudem können die Nanodrähte in weiche Materialien integriert werden.

Wurden die piezoelektrischen Nanodrähte durch Druck in ihrer Länge gestaucht, so trat zwischen den Drahtenden eine elektrische Spannung auf. Die Forscher haben berechnet, dass an einem 500 nm dicken und 5 µm langen Draht bei einer axialen Kraft von 2,5 µN eine Piezospannung von ca. 1 V entsteht. Die gemessene Spannung hatte die Form eines Pulses, da sie schnell durch Elektronentransport ausgeglichen wurde. Sobald die Krafteinwirkung endete, trat ein entgegengesetzter Spannungspuls auf.

Der Nanogenerator besteht aus sieben übereinander gestapelten Arrays dieser Nanodrähte und hat eine Grundfläche von 6 mm². Er wurde kontaktiert und über einen Gleichrichterschaltkreis an mehrere parallel geschaltete Kondensatoren angeschlossen, die die vom Generator hervorgerufenen Ladungspulse aufnehmen konnten. Die Forscher drückten die übereinander-liegenden Arrays mit Hilfe eines Elektromotors periodisch zusammen, wobei sie die Frequenzen zwischen 1 und 50 Hz variieren konnten.

Für alle verwendeten Anregungsfrequenzen erreichte die Gesamtspannung der Kondensatoren vergleichbare Werte, deren Maximum bei 3,36 V lag. Damit konnten die Forscher eine Laserdiode mit einer Leistung von 6 mW zum Leuchten bringen – allerdings nur für den Bruchteil einer Sekunde. Dann mussten die Kondensatoren wieder aufgeladen werden. Für einen Dauerbetrieb der Laserdiode reichte die Leistung des Nanogenerators noch nicht aus.

Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass bei vielen Anwendungen wie etwa bei Sensoren oder bei der optischen Datenübertragung die elektrische Leistung immer nur für kurze Zeit benötigt wird. In den dazwischenliegenden Zeitintervallen könnte der Nanogenerator die benötigte elektrische Energie akkumulieren.

RAINER SCHARF

KK