不同流体诱导石墨烯等半导体产生电压的原理及应用

Graphene has attracted great interest in the fields of materials science and condensed-matter physics due to its unique 2D crystal structure and its exceptionally high crystal and electronic quality. It has been shown that a direct generation of measurable voltages and currents when fluid flows over graphene.However,there is less research in the field in the world.Even there is no research on the common characteristic of the induced voltages when the different fluid medium flows over the graphene.Based on our recently research on gas-flow-induced voltages in graphene and Si semiconductor, the research on the common characteristic of the induced voltages would be developed when the different fluid medium flows over the graphene and semiconductors materials by the fluid mechanics basic principle.The rules and the mechanism of the phenomenon that fluid induced voltages in graphene and semiconductor materials would be revealed.And the physical relationships between the induced voltages and the physical quantity of fluid would be explored.According to the physical model, a unified mathematical model would be proposed for different fluid medium.Based on the prediction and the direction of the physical model,a actuator used for fluid velocity measurements would be designed.

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有六方对称的理想二维晶体。当流体流过石墨烯层时，在伯努利原理和塞贝克效应的共同作用下，会在石墨烯层两端产生一定的电压。国际上针对该领域的研究较少，且没有关于不同流体介质诱导石墨烯产生电压的共同特性的研究。本项目以我们最近开展的气流诱导石墨烯和硅基片产生电压效应的研究为基础，从流体力学基本原理出发，开展不同流体介质诱导石墨烯等半导体材料产生电压的共同特性的研究；揭示流体诱导石墨烯等半导体材料产生电压的物理机制；建立诱导电压与流体物理量相关联的物理模型；通过物理模型探寻各物理量的数学关系；利用流体实验验证物理模型的正确性；并在物理模型的预测和指导下，设计可用于流速测量的功能器件。

长久以来,如果利用流体产生电压或电流，就要需要消耗一定的压力势能，主要是压力势能转化成机械动能，机械动能通过电磁转化产生电压。随着新材料的出现，特别是石墨烯为新近出现的由单层数的碳原子，通过共价键结合，有六面方形对称的完美二维晶体结构。当气体或液体流过石墨烯层面时，在一定相关原理的作用下，会在石墨烯材料片层两端制造出一定的电动势。表面上看起来是运动流体的动能转化为电能，而实际上是流速在石墨烯片层位置发生变化，引起压力变化，进而引起温度变化，进而作用石墨烯片层产生出电动势。国际目前针对该方向的研究很少，且没有特别关于不同介质诱导石墨烯制造出电动势的共同性质规律的研究。报告以项目组新近开展的不同气体、液滴、两相混合流诱导石墨烯或硅基片制造出电压效应的实验结果为基础。开展了不同气体诱导石墨烯和硅基片产生电压的流动实验，并研究了电压产生的条件和规律，也确定了不同气体的流速与诱导电压的线性关系。开展了不同液滴诱导石墨烯产生电压的实验，并确定了液滴流速与石墨烯产生电压的关系规律。依据不同的气体介质诱导石墨烯、硅基片等半导体材料产生电压的流动实验数据结果，从流体力学伯努利原理出发，并结合材料的塞贝克效应，建立了诱导电压与流动介质的密度、速度等相关联的物理量模型。在统一了不同气体介质诱导石墨烯等半导体材料产生电压的数学模型的基础上，设计了流体表面摩擦力测量器件，并论述了气体与液体介质产生电压的不同原理。为进一步提升流体诱导石墨烯产生电压的特性，提出了采用气体液体共同作用诱导石墨烯产生电压的方法，可以较大的提升流体诱导石墨烯产生电压的特性。项目针对不同气体介质诱导石墨烯产生电压，从统一数学模型方向和测量热力场分布等方面进行研究，即气体流动过程中的动能转换为压力能和热能，压力能无损耗，而热能一部分损耗，一部分通过石墨烯片层转换为电能，对认识气体诱导石墨烯生电的本质有启发作用。项目通过诱导生电，在流体流速测量和流动壁面摩擦力测量的器件设计和原理探讨方面，可实现无源无能耗的流动测量，为拓宽石墨烯生电的应用研究提供了新思路。含液滴气流的两相流能够较大幅度的提升石墨烯诱导生电的性能，为能源的提取和利用，提供了新的可能。