宽禁带半导体二氧化钛纳米管多孔阵列增强贝塔伏特效应及其高效微型同位素电池的研究

The project target is to research and develop a high reliability, long life, high conversion efficiency of radio-isotope microbattery in order to meet power requirement of MEMS micro-sensors, micro-actuators and wireless sensing net. The wide band-gap semiconductor TiO2 with crystallized, vertically oriented and ordered nanotube porous array structures are used to converse the radio-energy into electrical energy under build-in contact potential difference introduced by two collecting electrodes. Experimentally, some factors, such as morphology of nanotube arrays, surface modification, annealing process, and electrode materials, will be used to enhance the betavoltaic effect. In order to reveal the enhanced mechanisms of betavoltaic effect in TiO2 nanotube arrays and its interface modification structure, some models, such as the energy level matching theory of multiple heterojunction, Monte Carlo interaction between nanotube array and incident beta particles, and separation and transport of carriers generated by radio-energy, must be builded. By using optimal and improved methods and MEMS technology, the TiO2 nanotube array films integrated 63Ni material will be packaged with multilayer stacking structure to realize beta radiation energy conversion efficiency no lower than 50%, which meets the requirements of practical engineering application of micro energy system in multi-environmental conditions.

针对MEMS微传感器/微执行器等适配电源的实际需求，研制开发高可靠，长寿命，高转换效率的微型同位素电池。项目以晶态宽禁带半导体TiO2定向有序纳米管多孔阵列结构为能量转换载体，并利用收集电极接触电势差作为电子-空穴对的分离机制，实验研究纳米管阵列的形貌特征、表面修饰、退火工艺、电极材料等因素对贝塔辐射伏特效应增强的影响。通过建立纳米管阵列结构多元异质结能级匹配理论、贝塔粒子与纳米管阵列结构作用的蒙特卡罗模型和辐射致载流子的界面定向分离和输运模型，揭示TiO2纳米管阵列及其表面改性增强贝塔辐射伏特效应的机制。利用优化设计方案和MEMS工艺开展TiO2纳米管阵列薄膜孔洞集成63Ni同位素辐射材料和电池多层堆垛封装工艺的研究，实现贝塔辐射能量转换效率不低于50%的同位素电池，为微能源系统在多环境条件下的实际工程应用扫除障碍。

本项目提出针对MEMS微传感器/微执行器等适配电源的实际需求，研制开发高可靠，长寿命，高转换效率的微型同位素电池。项目执行期间建立了同位素贝塔电池三个理论模型：1）基于宽禁带半导体的三维纳米结构贝塔伏特电池能量转换模型；2）β粒子与三维纳米（管和柱）阵列结构作用的模特卡罗模型；3）辐射致载流子的界面定向分离和输运模型。通过电化学阳极氧化和水热合成法实现了TiO2纳米管/纳米柱阵列结构的优化制备，并研究了不同气氛退火条件对转换材料性能的影响。完成氧化锆（ZrO2）、硫化镉（CdS）、碳纳米管（CNTs）、石墨烯等对TiO2纳米结构的表面修饰。通过制备电化学紫外探测器件实现对不同材料光电性能的研究和优化筛选。设计和制备了基于全固态的63Ni贝塔伏特电池和基于氚化钛固态源和氚水的电化学贝塔伏特电池。利用电子灌封技术实现贝塔电池的密闭封装，极大地提高了贝塔电池的安全防护性能。通过与涉核单位合作实现了贝塔电池的同位素封装集成和测试。实验制备的世界首个氚基电化学贝塔电池，实现了17%的能量转换效率，输出功率达到27.8uW/cm3。为微能源系统在多环境条件下的实际工程应用打开了突破口。研究结果表明：基于传统平面辐射源的贝塔电池其极限效率小于8%，通过三维纳米结构可实现超过25%的转换效率。同时，辐射源的集成方式对贝塔电池的效率有重要影响。未来全固态三维纳米结构氚化贝塔伏特电池是解决成本、效率和寿命的主要方向。