We present a high performance flexible piezoelectric nanogenerator (NG) device based on the hydrothermally grown lead-free piezoelectric lithium niobate (LiNbO3) nanowires (NWs) for scavenging mechanical energies. The non-linear optical coefficient and optical limiting properties of LiNbO3 were analyzed using femtosecond laser pulse assisted two photon absorption techniques for the first time. Further, a flexible hybrid type NG using a composite structure of the polydimethylsiloxane polymer and LiNbO3 NWs was fabricated, and their piezoelectric output signals were measured. A large output voltage of ∼4.0 V and a recordable large current density of about 1.5 μA cm−2 were obtained under the cyclic compressive force of 1 kgf. A subsequent UV-Vis analysis of the as-prepared sample provides a remarkable increase in the optical band gap (UV absorption cut-off, ∼251 nm) due to the nanoscale size effect. The high piezoelectric output voltage and current are discussed in terms of large band gap, significant nonlinear optical response, and electric dipole alignments under poling effects. Such high performance and unique optical properties of LiNbO3 show its great potential towards various next generation smart electronic applications and self-powered optoelectronic devices.

1.
C.
Braun
,
S.
Sanna
, and
W. G.
Schmidt
,
J. Phys. Chem. C
119
,
9342
(
2015
).
2.
A. V.
Ievlev
,
S.
Jesse
,
A. N.
Morozovska
,
E.
Strelcov
,
E. A.
Eliseev
,
Y. V.
Pershin
,
A.
Kumar
,
V. Ya.
Shur
, and
S. V.
Kalinin
,
Nat. Phys.
10
,
59
66
(
2014
).
3.
A.
Guarino
,
G.
Poberaj
,
D.
Rezzonico
, and
R.
Deglinnocenti
,
Nat. Photonics
1
,
407
(
2007
).
4.
D.
Xue
and
X.
He
,
Phys. Rev. B
73
,
64113
(
2006
).
5.
X.
Zhang
and
D.
Xue
,
J. Phys. Chem. B
111
,
2587
2590
(
2007
).
6.
R.
Grange
,
J. W.
Choi
,
C. L.
Hsieh
,
Y.
Pu
,
A.
Magrez
,
R.
Smajda
,
L.
Forro
, and
D.
Psaltis
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
143105
(
2009
).
7.
M. L.
Bortz
,
L. A.
Eyres
, and
M. M.
Fejer
,
Appl. Phys. Lett.
62
,
2012
(
1993
).
8.
T.
Kawanishi
,
S.
Oikawa
,
K.
Higuma
,
M.
Sasakl
, and
M.
Izutsu
,
IEICE Trans. Electron.
E85-C
,
150
155
(
2002
).
9.
K.
Suizu
and
K.
Kawase
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
14
,
295
306
(
2008
).
10.
Y.
Ishigame
,
T.
Suhara
, and
H.
Nishihara
,
Opt. Lett.
16
,
375
(
1991
).
11.
K.
Thyagarajan
,
J.
Lugani
,
S.
Ghosh
,
K.
Sinha
,
A.
Martin
,
D. B.
Ostrowsky
,
O.
Alibart
, and
S.
Tanzilli
,
Phys. Rev. A
80
,
052321
(
2009
).
12.
K.
Nakamura
,
Y.
Kurosawa
, and
K.
Ishikawa
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
2799
(
1996
).
13.
X.
Sun
,
Y. J.
Su
,
X.
Li
,
K. W.
Gao
, and
L. J.
Qiao
,
J. Appl. Phys.
111
,
094110
(
2012
).
14.
A. A.
Belik
,
T.
Furubayashi
,
H.
Yusa
, and
E.
Takayama Muromachi
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
9405
(
2011
).
15.
D. D.
Fong
,
G. B.
Stephenson
,
S. K.
Streiffer
,
J. A.
Eastman
,
O.
Auciello
,
P. H.
Fuoss
, and
C.
Thompson
,
Science
304
,
1650
(
2004
).
16.
M. K.
Gupta
,
S. W.
Kim
, and
B.
Kumar
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
1766
(
2016
).
17.
G. C.
Yoon
,
K.-S.
Shin
,
M. K.
Gupta
,
K. Y.
Lee
,
J.-H.
Lee
,
Z. L.
Wang
, and
S.-W.
Kim
,
Nano Energy
12
,
547
(
2015
).
18.
K. Y.
Lee
,
M. K.
Gupta
, and
S.-W.
Kim
,
Nano Energy
14
,
139
(
2015
).
19.
C.-Y.
Sue
and
N. C.
Tsai
,
Appl. Energy
93
,
390
(
2012
).
20.
Z.
Li
and
Z. L.
Wang
,
Adv. Mater.
23
,
84
(
2011
).
21.
Z.
Li
,
G.
Zhu
,
R.
Yang
,
A. C.
Wang
, and
Z. L.
Wang
,
Adv. Mater.
22
,
2534
(
2010
).
22.
Z. L.
Wang
and
J. H.
Song
,
Science
312
,
242
(
2006
).
23.
M. K.
Gupta
,
J. H.
Lee
,
K. Y.
Lee
, and
S.-W.
Kim
,
ACS Nano
7
,
8932
(
2013
).
24.
C. T.
Huang
,
J. H.
Song
,
C. M.
Tsai
,
W. F.
Lee
,
D. H.
Lien
,
Z. Y.
Gao
,
Y.
Hao
,
L. J.
Chen
, and
Z. L.
Wang
,
Adv. Mater.
22
,
4008
(
2010
).
25.
C. Y.
Chen
,
G.
Zhu
,
Y. F.
Hu
,
J. W.
Yu
,
J. H.
Song
,
K. Y.
Cheng
,
L. H.
Peng
,
L. J.
Chou
, and
Z. L.
Wang
,
ACS Nano
6
,
5687
(
2012
).
26.
K. I.
Park
,
J. H.
Son
,
G. T.
Hwang
,
C. K.
Jeong
,
J.
Ryu
,
M.
Koo
,
I.
Choi
,
S. H.
Lee
,
M.
Byun
,
Z. L.
Wang
, and
K. J.
Lee
,
Adv. Mater.
26
,
2514
(
2014
).
27.
Y. C.
Mao
,
P.
Zhao
,
G.
McConohy
,
H.
Yang
,
Y. X.
Tong
, and
X. D.
Wang
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1301624
(
2014
).
28.
R. S.
Weis
and
T. K.
Gaylord
,
Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
37
,
191
(
1985
).
29.
M.-R.
Joung
,
H.
Xu
,
I.-T.
Seo
,
D.-H.
Kim
,
J.
Hur
,
S.
Nahm
,
C.-Y.
Kang
,
S.-J.
Yoon
, and
H.-M.
Park
,
J. Mater. Chem. A
2
,
18547
(
2014
).
30.
G.
Zhu
,
R.
Yang
,
S.
Wang
, and
Z. L.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
3151
(
2010
).
31.
K. H.
Kim
,
B.
Kumar
,
K. Y.
Lee
,
H. K.
Park
,
J. H.
Lee
,
H.
Lee
,
H.
Jun
,
D.
Lee
, and
S.-W.
Kim
,
Sci. Rep.
3
,
2017
(
2013
).
32.
J.
Junquera
and
P.
Ghosez
,
Nature
422
,
506
(
2003
).
33.
F. R.
Hu
,
H. C.
Zhang
,
C.
Sun
,
C. Y.
Yin
,
B. H.
Lv
,
C. F.
Zhang
,
W. W.
Yu
,
X. Y.
Wang
,
Y.
Zhang
, and
M.
Xiao
,
ACS Nano
9
,
12410
(
2015
).
34.
M. A.
Fakhri
,
Y. A.
Douri
,
U.
Hashim
,
E. T.
Salim
,
D.
Prakash
, and
K. D.
Verma
,
Appl. Phys. B
121
,
107
(
2015
).
35.
K.
Wang
,
J.
Zhou
,
L.-Y.
Yuan
,
Y.-T.
Tao
,
J.
Chen
,
P.-X.
Lu
, and
Z.-L.
Wang
,
Nano Lett.
12
,
833
(
2012
).
36.
B. S.
Kalanoor
,
L.
Gouda
,
R.
Gottesman
,
S.
Tirosh
,
E.
Haltzi
,
A.
Zaban
, and
Y. R.
Tischler
,
ACS Photonics
3
,
361
(
2016
).
37.
H.
Chen
,
B.
Yang
,
M.
Zhang
,
F.
Wang
,
K.
Cheah
, and
W.
Cao
,
Mater. Lett.
64
,
589
(
2010
).
38.
M.
Kauranen
and
A. V.
Zayats
,
Nat. Photonics
6
,
737
(
2012
).
39.
H.
Li
,
Y.
Jia
,
Q.
Xu
,
K.
Shi
,
J.
Wu
,
P. C.
Eklund
,
Y.
Xu
, and
Z.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
021103
(
2010
).
40.
A. J.
Schellekens
,
K. C.
Kuiper
,
R. R. J. C.
de Wit
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Commun.
5
,
4333
(
2014
).
41.
D.
Kim
,
H.
Choi
,
S.
Yazdanfar
, and
P. T. C.
So
,
Microsc. Res. Tech.
71
,
887
896
(
2008
).
42.
H.
Choi
and
P. T. C.
So
,
Sci. Rep.
4
,
6626
(
2014
).
43.
A. C.
Santulli
,
H.
Zhou
,
S.
Berweger
,
M. B.
Raschke
,
E.
Sutter
, and
S. S.
Wong
,
CrystEngComm.
12
,
2675
(
2010
).
44.
E.-J.
Guo
,
J.
Xing
,
K.-J.
Jin
,
H.-B.
Lu
,
J.
Wen
, and
G.-Z.
Yang
,
J. Appl. Phys.
106
,
023114
(
2009
).
45.
C.
Thierfelder
,
S.
Sanna
,
A.
Schindlmayr
, and
W. G.
Schmidt
,
Phys. Status Solidi C
7
,
362
(
2010
).
46.
W. G.
Schmidt
,
M.
Albrecht
,
S.
Wippermann
,
S.
Blankenburg
,
E.
Rauls
,
F.
Fuchs
,
C.
Rödl
,
J.
Furthmüller
, and
A.
Hermann
,
Phys. Rev. B
77
,
035106
(
2008
).
47.
S.
Kase
and
K.
Ohi
,
Ferroelectrics
8
,
419
(
1974
).
48.
M. S.
Bahae
,
D.
Hutchings
,
D. J.
Hagan
, and
E. W. V.
Stryland
,
IEEE J. Quantum Electron.
26
,
760
(
1990
).
49.
S. M.
Kostritskii
and
M.
Aillerie
,
J. Appl. Phys.
111
,
103504
(
2012
).
50.
L. A.
Padilha
,
J.
Fu
,
D. J.
Hagan
,
E. W. V.
Stryland
,
C. L.
Cesar
,
L. C.
Barbosa
,
C. H. B.
Cruz
,
D.
Buso
, and
A.
Martucci
,
Phys. Rev. B
75
,
075325
(
2007
).
51.
B. K.
Yun
,
Y. K.
Park
,
M.
Lee
,
N.
Lee
,
W.
Jo
,
S.
Lee
, and
J. H.
Jung
,
Nanoscale Res. Lett.
9
,
4
(
2014
).
52.
A. Z.
Simoes
,
A. H. M.
Gonzalez
,
A. A.
Cavalheiro
,
M. A.
Zaghete
,
B. D.
Stojanovic
, and
J. A.
Varela
,
Ceram. Int.
28
,
265
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.