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在深海、太空、极地、荒漠、地下等极端环境中,如何为微电子设备(如微传感器、微致动器、微芯片等)提供长寿命和免维护的电源装置成为当今世界微能源研究领域的热点。传统常规电源的结构和工作原理无法满足在恶劣环境下设备对能源的要求。贝塔(β)伏特电池能量密度高、使用寿命长、环境适应性强。目前研究的β伏特电池能量转换效率较低,限制了其在实际中的应用,如何提高微型同位素电池的能量转换效率是研究的热点。本文以定向有序二氧化钛纳米管阵列(TiO2NTAs)为能量转换载体,63Ni同位素为辐射源制备β伏特电池。研究内容包括β伏特电池工作原理研究,二氧化钛(TiO2)纳米管的生长和表征,不同样品制备的β伏特电池性能测试,级联电池的输出特性研究。实验中,使用阳极氧化法制备管径约为100 nm,壁厚约为10 nm,管长约为8 μm的TiO2 NTAs,使用FESEM、XRD、EPR等设备对材料形貌、晶型、缺陷态等进行表征。实验结果表明:退火还原的黑色TiO2NTAs制备的β伏特电池,使用总活度为20mCi的63Ni辐射源,开路电压可达1.13V,短路电流可达206.60 nA,能量转换效率达到3.65%。最后,测试了双电池的级联输出特性。级联β伏特电池的电输出遵循欧姆定律,串联开路电压增至2.26 V;并联短路电流增至416.27 nA。在原理上,退火后的黑色TiO2 NTAs中生成大量氧空位(OV)和Ti3+缺陷,一方面增加了半导体中的施主电子浓度,提高了TiO2导电性;另一方面,形成的电子陷阱,可以抑制电子-空穴对复合。此外,表面活性增强的纳米管的极端表面曲率可能导致相邻纳米管之间形成结势垒(NT-NT结势垒),NT-NT结势垒中的内建电场能有效增强载流子分离(空穴迁移至纳米管管壁表面,电子迁移至纳米管管壁内部),提高了载流子的寿命,降低了载流子的复合几率。本研究表明,将具有高比表面积,排列高度有序,宽禁带的黑色TiO2NTAs作为换能材料,可有效提高β伏特电池的开路电压和短路电流,从而提高能量转换效率。将β伏特电池进行级联,可以大幅提高电池的电压和电流输出。因此,基于宽禁带半导体TiO2 NTAs制备的β伏特电池是一种潜在的微能源解决方案。