一维图案化氧化锌纳米棒阵列中相干声学声子的超快动力学研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11804022
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2002.凝聚态物质力热光电性质
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Thermoelectric materials have attracted much attention due to their capability to convert thermal energy directly into electricity and vice versa. However, the applications of the thermoelectric materials are limited by their relatively low figure of merit ZT, thus finding the way to effectively reduce the lattice thermal conductivity is of great importance to improve their thermoelectric performances. In recent years, nanostructured materials have been proposed and developed to increase the value of ZT through doping and the size effect of nanostructures. Of the nanomaterials, one-dimensional ZnO is an ideal thermoelectric material due to its high Seebeck coefficient and high electrical conductivity. Using femtosecond pump-probe spectroscopy, the ultrafast dynamics of coherent acoustic phonons (CAPs) can be systematically investigated, which could provide useful information for enhancing the thermoelectric properties of the ZnO nanorods. In this project, one-dimensional patterned ZnO nanorod array will be fabricated and its thermoelectric properties will be systematically investigated. Using femtosecond pump-probe spectroscopy, GHz-THz CAPs in ZnO nanorods will be excited and detected, and the effects of the nanorod size and doping concentration on the propagation of the CAPs will be thoroughly analyzed. Through fabricating the ZnO thermoelectric devices based on the patterned ZnO nanorod array, the relationship between the propagating CAPs and the performance of the thermoelectric devices will be examined. The performance of the ZnO thermoelectric devices will also be explored under different temperatures. At last, the service behavior of the ZnO thermoelectric devices will be studied. This project provides a new route for studying the thermoelectric properties of materials with the assistance of femtosecond pump-probe spectroscopy.
热电材料因其可以实现固体状态下热能与电能之间的相互转换而受到广泛关注。针对目前热电材料效率较低的问题,有效地降低材料的晶格热导率是提高热电优值ZT的重要途径之一。近年来,低维纳米材料由于可通过改变尺寸和杂质掺杂两个方面来提高材料的热电性能而成为了一类极具潜力的热电材料。其中一维氧化锌(ZnO)具有较高的塞贝克系数和电导率,是一种较为理想的热电材料。利用飞秒泵浦-探测技术,对一维ZnO纳米棒中相干声学声子的超快动力学进行研究可为其在热电领域的应用提供可靠的理论基础。本项目围绕一维ZnO纳米棒阵列热电性能的优化,利用飞秒泵浦-探测技术激发并探测ZnO纳米棒中的GHz-THz频率的相干声学声子,研究ZnO纳米棒尺寸和元素掺杂浓度对其演化动力学的影响规律,阐明声子输运与热电性能之间的内在关联。构筑基于一维ZnO纳米棒阵列的热电器件,探索其最佳工作温度范围,确定器件安全服役行为。

结项摘要

热电材料因其可实现固体状态下热能与电能之间的相互转化而收到广泛关注。为了实现最佳的热电性能,材料应具备高的塞贝克系数S、高的电导率σ和低的热导率κ,即理想的热电材料应具有“声子玻璃-电子晶体”的特性。其中,材料的热导率κ包括自由载流子对热导率的贡献κe及晶格振动对热导率的贡献κlatt两个部分,后者又被称之为晶格热导率。根据维德曼-夫兰兹定理可知,热导率κe与电导率σ成正比,即在材料电导率增加的同时,自由载流子对热导率的贡献也将增加,从而限制了热电优值的进一步提高。因此,有效地降低材料的晶格热导率κlatt就成为了提升热电材料ZT值的重要途径之一。.项目面向ZnO半导体材料在热电领域中的应用,拟通过掺杂杂质原子来大幅度降低材料的热导率。首先,基于模板法和水热法,实现了一维图案化ZnO纳米棒阵列的限域生长与可控制备,并制备得到了Li或Al掺杂的ZnO薄膜材料。其次,完成了基于ASOPS系统的双红光、双蓝光飞秒泵浦-探测光学平台的搭建。在此基础上,系统研究了相干声学声子在Li或Al掺杂ZnO薄膜中的输运特性,揭示了掺杂原子对相干声学声子的散射规律,并建立了其与热电性能的内在关联。最后,通过第一性原理计算,研究了Li或Al掺杂后晶格畸变对ZnO材料电子和声子的散射规律,以及在不同温度下,掺杂种类和浓度对晶格热导率的影响规律。结果表明,Li掺杂在提升材料导电性的同时,可有效降低ZnO半导体材料的晶格热导率,是一类理想的掺杂元素。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Self-sustained solid-state exothermic reaction for scalable graphene production
用于可扩展石墨烯生产的自持固态放热反应
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2020.109135
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Materials and Design
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yang Min;Liu Jinxu;Li Shukui;Zhang song;Zhuang Zhihua;Wang Yingchun;He Chuan
  • 通讯作者:
    He Chuan
Ultrafast synthesis of graphene nanosheets encapsulated Si nanoparticles via deflagration of energetic materials for lithium-ion batteries
通过锂离子电池含能材料的爆燃超快合成封装硅纳米颗粒的石墨烯纳米片
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2019.104028
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Nano Energy
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Yang Min;Liu Jinxu;Li Shukui;Zhang song;Wang yingchun;He Chuan
  • 通讯作者:
    He Chuan
Energetic-Materials-Driven Synthesis of Graphene-Encapsulated Tin Oxide Nanoparticles for Sodium-Ion Batteries.
用于钠离子电池的石墨烯封装氧化锡纳米颗粒的含能材料驱动合成
  • DOI:
    10.3390/ma14102550
  • 发表时间:
    2021-05-14
  • 期刊:
    Materials (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Y;Liu J;Yang M;Hou L;Xu T;Li S;Zhuang Z;He C
  • 通讯作者:
    He C
Recent progress in terahertz modulation using photonic structures based on two-dimensional materials
基于二维材料的光子结构太赫兹调制的最新进展
  • DOI:
    10.1002/inf2.12236
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    InfoMat
  • 影响因子:
    22.7
  • 作者:
    Wang Ziming;Qiao Jie;Zhao Shuqi;Wang Shilei;He Chuan;Tao Xutang;Wang Shanpeng
  • 通讯作者:
    Wang Shanpeng
Influence of multi-oxidants on reaction characteristics of PTFE-Al-XmOY reactive material
多元氧化剂对PTFE-Al-XmOY反应材料反应特性的影响
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2019.108325
  • 发表时间:
    2020-01-15
  • 期刊:
    MATERIALS & DESIGN
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Lan, Jia;Liu, Jinxu;Li, Shukui
  • 通讯作者:
    Li, Shukui

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其他文献

span style=font-family:宋体;font-size:10.5pt;基于滚动优化策略的成像侦察卫星应急调度方法/span
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    系统工程理论与实践
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    贺川;朱晓敏;邱涤珊;伍国华
  • 通讯作者:
    伍国华
span style=font-family:宋体;font-size:10.5pt;面向应急对地观测任务的多飞艇协同分配方法/span
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    系统工程与电子技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    江建清;朱晓敏;伍国华;贺川;吴朝波
  • 通讯作者:
    吴朝波
span style=font-family:宋体;font-size:10.5pt;基于概率可信度的区间数排序方法/span
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    控制与决策
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    邱涤珊;朱晓敏;贺川
  • 通讯作者:
    贺川
考虑断点续传的中继卫星调度模型及启发式算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    航空学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李夏苗;陈新江;伍国华;贺川;龙运军
  • 通讯作者:
    龙运军
考虑目标间不同转换方式的成像卫星调度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    宇航学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王建江;邱涤珊;贺川;朱晓敏
  • 通讯作者:
    朱晓敏

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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