CAREER: Investigation of Thermal Transport in Moiré Pattern Structured Materials to Push the Extremes of Thermal Modulation

职业:研究莫尔图案结构材料中的热传输以推动热调制的极限

基本信息

  • 批准号:
    2145417
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-01 至 2027-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This award is funded in whole or in part under the American Rescue Plan Act of 2021 (Public Law 117-2).Wearable devices made of two-dimensional (2D) materials based on atomically thin crystals such as graphene promise to revolutionize modern microelectronics by enabling high flexibility, intrinsic thinness, and unprecedented device performance. However, one significant challenge to the advancement of diverse and transformative applications is gaining control over thermal transport. For example, thermal transport needs to be increased to compensate for the heating issue caused by the reduced thermal conductivity at high levels of stress and decreased for efficient thermoelectric energy conversion and thermal insulation devices. The overarching goal of this research is to achieve efficient, in-situ, and reversible thermal control via manipulating 2D materials’ Moiré patterns, which are created by adjusting the relative twist angle of mismatching crystal lattice between the two 2D materials. The knowledge learned will potentially push the thermal modulation limits in skin-like wearable devices made of atomically thin 2D materials, and enable modern devices from beyond-Si electronics and sensors to superconducting thermal switches. This project will tightly integrate research, education and outreach, with interactive games, workshops, novel curriculum, hands-on research mentoring, and research tool sharing to engage students in thermal technology.The proposed research aims to create new knowledge about crystal lattice order enabled thermal transport and develop twist angle tuning as a powerful strategy for thermal modulation. The twist angle tuning method applied to 2D Moiré pattern structured materials provides an in-situ, continuous and reversible tuning strategy without the need for changing the materials’ chemical composition, thereby bypassing the challenges associated with traditional wearable devices. Experimental approaches of materials synthesis, device nanofabrication and thermal characterization are emphasized and reinforced by analytical modeling. By systematically varying twist angle as well as the 2D Moiré patterns’ mechanical deformation and global geometry, in-depth understanding of lattice orders, lattice constants, geometry and thermal conductivity will be uncovered. Such knowledge will be a major leap in fundamental understanding of thermal physics, establish thermal modulation principles to achieve desired thermal transport outcomes, and revolutionize future wearable device platforms.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项的全部或部分资金来源于《2021 年美国救援计划法案》(公法 117-2)。由基于石墨烯等原子薄晶体的二维 (2D) 材料制成的可穿戴设备有望彻底改变现代微电子学实现高灵活性、内在薄度和前所未有的器件性能然而,推动多样化和变革性应用的一个重大挑战是获得对热传输的控制,例如,需要增加热传输以补偿热传输。高应力下热导率降低引起的发热问题以及高效热电能量转换和隔热装置的热导率降低本研究的首要目标是通过操纵二维材料的莫尔纹来实现高效、原位和可逆的热控制。图案,这是通过调整两种 2D 材料之间不匹配晶格的相对扭曲角度而创建的。所学到的知识将有可能突破由原子薄 2D 制成的类皮肤可穿戴设备的热调制极限。该项目将紧密结合研究、教育和推广,并通过互动游戏、研讨会、新颖的课程、实践研究指导和研究工具共享来参与。所提出的研究旨在创造有关晶格有序热传输的新知识,并开发扭转角调节作为热调制的强大策略,应用于二维莫尔图案结构材料的扭转角调节方法提供了一种原位调节方法。 ,连续且无需改变材料化学成分的可逆调节策略,从而绕过了与传统可穿戴设备相关的挑战。通过系统地改变扭转角,强调和强化了材料合成、设备纳米制造和热表征的实验方法。随着二维莫尔图案的机械变形和整体几何形状的深入,对晶格顺序、晶格常数、几何形状和热导率的深入理解将被揭示,这些知识将是对热的基本理解的重大飞跃。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Identification and classification of exfoliated graphene flakes from microscopy images using a hierarchical deep convolutional neural network
使用分层深度卷积神经网络对显微镜图像中剥离的石墨烯薄片进行识别和分类
  • DOI:
    10.48550/arxiv.2203.15252
  • 发表时间:
    2022-03-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Soroush Mahjoubi;Fan Ye;Yi Bao;Weina Meng;Xian Zhang
  • 通讯作者:
    Xian Zhang
Ultra‐High Interfacial Thermal Conductance via Double hBN Encapsulation for Efficient Thermal Management of 2D Electronics
通过双 hBN 封装实现超高界面热导,实现 2D 电子产品的高效热管理
  • DOI:
    10.1002/smll.202205726
  • 发表时间:
    2023-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.3
  • 作者:
    Ye, Fan;Liu, Qingchang;Xu, Baoxing;Feng, Philip X. ‐L.;Zhang, Xian
  • 通讯作者:
    Zhang, Xian
On the role of crystal defects on the lattice thermal conductivity of monolayer WSe2 (P63/mmc) thermoelectric materials by DFT calculation
利用DFT计算研究晶体缺陷对单层WSe2(P63/mmc)热电材料晶格热导率的影响
  • DOI:
    10.1016/j.spmi.2021.107057
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Wang, Yingtao;Zhang, Xian
  • 通讯作者:
    Zhang, Xian
Thermal Transport in 2D Materials
二维材料中的热传输
  • DOI:
    10.3390/nano13010117
  • 发表时间:
    2022-12-26
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Kalantari MH;Zhang X
  • 通讯作者:
    Zhang X
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  • 影响因子:
    0
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  • 通讯作者:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Rui Wang;Hua‐Chi Cheng;Yi Gong;Fengyu Wang;Xin Ding;Rui Hu;Xian Zhang;Jianying He;Xingyou Tian
  • 通讯作者:
    Xingyou Tian

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