شبیه سازی و طراحی نانوژنراتور پیزوالکتریک با استفاده از نانوسیم اکسید روی

اثر متقابل بین خاصیت پیزوالکتریک و انتقال بار در مواد پیزوالکتریک نیم رسانا، منجر به تولید پدیده جدید به نام پیزوترونیک می شود که اساس عملکرد نانوژنراتورها را تشکیل می دهد. در پایان نامه حاضر، عملکرد نانوژنراتور بر اساس آرایه ای از نانوسیم های پیزوالکتریک برای برداشت انرژی مکانیکی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی مطالعه و با استفاده از روش المان محدود شبیه سازی شده است. در این رابطه، توزیع پتانسیل درون نانوسیم خم شده و فشرده شده شبیه سازی و تاثیر پارامترهای مختلف بر پتانسیل خروجی بررسی می شود. این پارامترها شامل خصوصیات نیم رسانایی اکسید روی ، پارامترهای هندسی و مقدار نیروی اعمالی به نانوسیم می باشد. محاسبه پتانسیل تولیدشده توسط یک نانوسیم با در نظر گرفتن اثر نیم رسانایی اکسید روی نشان می دهد که با افزایش مقدار ناخالصی درون ماده، پتانسیل از مقدار منفی 0/26ولت، مربوط به نانوسیم اکسید روی عایق، کمتر می شود. در بررسی تاثیر پارامترهای هندسی مشاهده شد که رفتار نانوسیم ها در هر دو حالت نانوسیم فشرده شده و خم شده متفاوت می باشد. در نانوسیم خم شده، با افزایش طول تا حدود 2 میکرومتر، مقدار پتانسیل ثابت است و از آن به بعد کاهش پتانسیل اتفاق می افتد. در حالی که در نانوسیم فشرده شده، با افزایش طول تا مقدار 0/3میکرومتر، پتانسیل نیز افزایش یافته و افزایش بیشتر طول تاثیری در مقدار پتانسیل نمی گذارد که این تفاوت به دلیل تفاوت در چگونگی ایجاد ناحیه تخلیه است. ادامه کار با بررسی بیشتر نانوژنراتور بر مبنای نانوسیم فشرده شده توسط نیروی عمودی و ارائه راهکارهایی شامل استفاده از چگالی بار سطحی در سطح مقطع نانوسیم، بررسی دقیق ضریب پیزوالکتریک موثر، استفاده از نانوسیم های مخروطی شکل و رشد نانوسیم ها با زاویه نسبت به زیرلایه و در نتیجه کاهش تقارن برای افزایش پتانسیل پیزوالکتریک انجام شد. در پایان نیز برای بررسی رفتار کل نانوژنراتور، با توجه به لایه پر کننده میانی و فاصله میان نانوسیم ها، ساختار دیگری برای مدل در نظر گرفته شد و شبیه سازی با استفاده از این مدل انجام گردید. حداکثر پتانسیل، به ازای مقدار متوسط ناخالصی، زمانی که فاصله نانوسیم ها از یکدیگر دو برابر قطر نانوسیم باشد، 25 میلی ولت بدست آمد. نتایج نشان داد که پتانسیل محاسبه شده برای نانوژنراتور، به منظور راه اندازی حسگرهای یک شبکه بدون سیم، مناسب و کافی است.