液体流動と電子材料界面における動電現象解明と新規電子デバイス創成

阐明液体流动和电子材料之间界面的动电现象并创建新的电子设备

基本信息

批准号：
21H01755
负责人：
岡田健
金额：
$ 10.57万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01755/
关键词：
グラフェン固液界面電気伝導流動界面流動動電

项目摘要

本年度は当初の実施計画にある2-1電気シグナル計測とキャリア同定、2-2ラマン測定、2-3流体解析、および2-4統計解析を行った。前年度に確立した微細加工プロセスを用いて作製した流路とグラフェンアッセンブリ法を用いた計測システムを基本構成とし、流速や流路サイズを変化させ流動状態を制御した条件下において起電力測定を行った。その結果、流動状態と起電力には明確な相関があり、発生電圧の分散は層流条件下では見られないことが明らかになった。また発生電圧と電力は、流路内において乱流から層流に遷移する領域が存在することではじめて計測されることが明らかになった。一方、現在は20ミリ秒の時間分解能で計測しているが、流動状態を追従するためには1桁の時間分解能向上が必要であることが判明したため、シグナル-ノイズ比改善を目的に計測システム全体のノイズマネージメントをさらに強化することを新たな検討項目に追加する。また、ラマン計測を実施し、流動状態に応じたグラフェンの電子状態と水の状態解析を行った。計測システムに問題はないが計測条件の最適化に課題が残った。流体解析は当初予定していたポリスチレンビーズによる粒子解析系の構築に加え、数値シミュレーションによる流動の可視化を行った。層流モデルを用いた数値シミュレーションによって流路内上流側において流動状態は乱れ、徐々に層流に遷移する過程が観察された。この遷移過程は起電力シグナルの安定性と出力に対して相関があり、流動状態に起因する電気シグナルの起源解明につながると期待できる。同一サイズの流路を用いた場合においても流入口形状によって流動遷移を制御できることがわかり、発電デバイスとして高出力化に期待ができる。また、最終年度の実施項目である代替材料の探索についても着手し、光学的、および固液界面の評価を行った。以上のように、当初の目的を概ね達成できたと考える。

今年，我们按照原计划进行了2-1电信号测量和载体识别、2-2拉曼测量、2-3流体分析、2-4统计分析。基本结构是使用前一年建立的微加工工艺创建的流道和使用石墨烯组装方法的测量系统，在改变流速和通道尺寸并控制流动状态的条件下测量电动势塔。结果表明，流动状态和电动势之间存在明显的相关性，并且在层流条件下没有观察到产生的电压的离散。还清楚的是，只有当流路内存在从湍流到层流的过渡区域时，才能测量产生的电压和功率。另一方面，虽然目前的测量时间分辨率为20毫秒，但人们发现跟踪流动状态需要时间分辨率提高一位数，因此我们开发了一种测量系统，旨在提高新的考虑将是进一步加强整体噪声管理。此外，还进行拉曼测量来分析石墨烯的电子状态和取决于流动状态的水的状态。测量系统没有问题，但优化测量条件仍存在问题。对于流体分析，除了按照原计划构建使用聚苯乙烯珠的颗粒分析系统外，我们还通过数值模拟将流动可视化。使用层流模型的数值模拟表明，流道上游侧的流动状态受到扰动，并观察到逐渐过渡到层流的过程。这一转变过程与电动势信号的稳定性和输出相关，有望阐明由流动状态引起的电信号的起源。发现即使使用相同尺寸的流道，也可以通过入口形状来控制流动过渡，并且可以期望用作高输出的发电装置。此外，我们开始寻找替代材料，这将在最后一年进行，并评估光学和固液界面。如上所述，我们相信我们已经基本实现了最初的目标。