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中心介绍
“声子学与热能科学”研究中心
发表时间:2014-12-19 阅读次数:5667次

 

       声子学是研究如何对声子作为能量和信息的载体进行调控和处理的科学。传统的信息载体是电子和光子,声子往往被认为对信息传输有害。李保文教授及其小组的突破性研究表明,声子作为热的载体,其实是完全可以被调控的,并可以用来进行信息处理。从而开创了一个崭新的信息学领域-声子学。声子学还奠定了如何调控热流的理论基础和科学原理,这对废热和太阳热能的利用,开拓了无限的应用前景!

      世界上90%的能源是通过燃烧化石燃料作为热源,然后通过热机而产生的。热机的效率只有30%-40% 。 这就意味着,全世界一年白白损失掉15 太瓦 (Terawatt)的热量。 另外,全世界的电脑也损耗大量的能源。比如,单单2005年,全世界所有的个人电脑(不包括笔记本电脑)就消耗了123 京度(G kWh) 电。对于大型的数据中心,除了电脑本身的用电外,还有空调用电。 一般来说,为了维持数据中心的正常运作,计算机每用一度电,还要消耗一度电来维持空调的运转。台式电脑一年的耗电量相当于17 个500 兆瓦的发电厂。50%以上的太阳光能转换为了热能,这使得常规太阳能电池的发电效率的理论极限只为40%。

       热电材料可以部分解决以上的问题- 特别在提高能源效率和环境保护方面有所作为。它可以把废热转换成电。多年的研究表明,理想的热电材料是电子导体同时也是“声子玻璃”, 也就是说, 电子可以自由通行,使得电导率很大,而声子不能通过,从而热导率很小。因此,热电材料研究的主要问题是声子输运和声子与电子的相互作用。也就是说,最终的问题变成是如何调控半导体材料中的声子。 这就是声子学的重要的研究领域和课题。

       中心主要开展声子/热的基本定律,声子与其他热载体,如电子、光子、磁化子等相互作用的理论、计算模拟和实验研究;探索调控声子/热的物理原理和相关的技术以及如何用于提高热电转换效率;研究实现声子作为信息载体的处理技术和应用。

1. 使命

 

       同济大学“声子学与热能科学”研究中心将为物理学,数学,生命科学,信息科学和工程,材料科学与工程,能源科学与工程的科研工作者提供平台进行跨学科协同研究。 中心将从事声子/热的基本规律、声子与其他的热载体如电子、光子、磁化子等相互作用的理论、计算模拟和实验研究。中心还将致力于研究调控声子/热的物理原理和相关的技术以及如何用于提高热电转换效率。中心也将研究如何实现声子作为信息载体的处理技术和应用。

       作为全球首个声子学研究中心,我们将从全世界吸引最优秀的人才加盟并致力培养跨学科的声子学和热能科学与技术的复合型人才,为中国的知识经济服务。

 

2. 远景和目标

 

     保持我们在声子学领域的领先, 引领世界设计功能热材料, 废热利用,为解决世界能源危机作贡献。

 

3. 中心的研究领域

 

基础研究方向:

 

       1)  声子理论:声子在微纳米尺度上反常扩散和界面输运理论,声子/声子相互作用研究。

         

       声子在半导体-金属界面的散射和能量的转换研究。在半导体中声子是热的载体。而在金属中,热的载体是电子。热能是怎么从声子转换成电子的?这一问题到现在还没有答案。这一问题的研究将对如何控制微电子器件的散热问题提供更好的理论基础和指引。另外,传统的两种界面理论如AMM 和DMM 理论给出的结果多比实验结果或者大一百倍或者小一百倍。这两个理论都没有考虑到声子在纳米结构中的反常扩散特性。我们将从第一性原理对此进行系统的理论和实验研究。

       二维声子/热输运理论:过去二十年的理论和实验研究都是集中在一维体系。对于二维体系的理论研究几乎是零。石墨稀的发现提供了一个很好的研究平台。李保文小组最近取得了在单层和多层石墨烯上的热输运的特性研究。我们将考虑声子/热的反常扩散建立一个二维声子/热的输运理论。

 

         2)声子与电子相互作用研究:热电转换机制

 

         热电效应可以把废热转换成电。目前的可用的商业用的热电材料的ZT只有1左右。为了提高ZT到3,可以通过提高电导率或降低热导率。但是提高电导率的同时亦会增加热导率。如何提高电导率而同时减低热导率是最具挑战的问题。我们将从理论上深入研究电子和声子的相互作用。然后设计出高ZT的纳米结构材料。我们将研究拓扑绝缘体的热电效应。我们将研究如何将理论研究的结果用来构造高效率的微电子器件的散热装置。

 

       3)声子与光子相互作用研究 :太阳热能物理机制

 

        目前所用的太阳能电池仅仅是把可见光的能量转换成电能。而红外光的那部分是以热的形式浪费掉。光热相互作用以及太阳热能的开发、利用及研究。

        光热相互作用:无论光照射到金属还是绝缘体材料上。由于光的能量都会有一部分转换成热能。因此材料都会发热。 光电效应解释了光能转换成电能。但是光是如何转换成热并不是很清楚。我们将研究光热相互作用。从而为光能的利用提供理论基础。

       太阳热能收集和热电转换:我们将研究如何构造一个复合太阳能电池系统可以同时将可见光的能量和不可见光的热能同时转换成电能。这样可以将太阳能的利用率提高很多。我们将用复合Si/Ge纳米线结构进行研究。

 

      4)声子与磁化子相互作用:声子HALL效应和磁致冷

       声子Hall效应是最近发现的一个新的物理现象。李保文教授领导的小组给出了深刻的物理机制的解释。我们发现该现象是和能级的拓扑结构联系在一起的。我们将继续研究如何用磁场来调控声子/热的输运性质。我们也将探索多铁性功能材料中的自旋和晶格耦合机制。铁磁和铁电特性通过磁电耦合能产生性能优异的一类功能材料,从而实现磁致冷。多铁性的产生来自于材料中晶格、自旋、轨道以及电荷的强相互关联,其中自旋-晶格之间的耦合机制十分重要。因此,我们需要理解铁电和磁电耦合的本质以及自旋-声子耦合,从而实现在微纳尺度可控的多铁功能材料。

 

       5)声子信息论

 

       传统的信息学研究领域主要是电子学和光子学。 声子学的提出开创了信息学的第三领域。做为世界上首个声子学研究中心,我们将协同数学家,信息学家,电子学家,物理学家等一道研究新兴的声子信息理论, 和处理声子信息的器件和技术。我们也将会探索如何冲破现在的电子计算机的模式- 以计算为主, 提出新的信息器件理论。

 

       6)微纳尺度声子晶体、声子特异材料、声和振动能量的调控

 

       我们提出的声子/热二极管, 三极管等理论主要是针对太赫兹的声子。目的是用来控制微纳米尺度的热输运。同样的物理原理也可以用于其它频段的振动能量的调控,如声波,超声波,以及非常低频率的弹性波。

 

       7)微纳尺度热对流研究

 

       微纳尺度的热传导与宏观尺度的热传递非常不同。 同样, 在微纳尺度热的对流也是非常不同的。纳米尺度的流动是一个具有挑战的课题。刚加入同济大学物理系的青年千人,钟锦强教授从事热对流研究多年。 他将领导一个团队对微纳热对流进行深入研究。这将对未来的微纳电子器件的散热有非常重要的意义。

 

       8)微纳尺度热辐射 

 

       热辐射是一种重要的热能传输方式。任何与周围环境的温度不一样的物体都要辐射热。如何能进行热辐射的屏蔽和探测有广阔的应用。热辐射是物理学的一个古老的课题,但是微纳米尺度的热辐射还是一片处女地。

 

        9)生物体内热能调控机理的研究

 

        毋庸置疑,没有热所有的生物都无法生存。生物演化很大程度是生物如何适应和利用热。生命过程如新陈代谢,热和热输运以及他们之间的关系是生命过程的根本的问题。生物系统是一个自我调节系统,它能很精确的调控热、比如在宏观方面,整个生物体系是处于一个常温而内部的每个部位却处于不同的温度。在分子层面上,比如蛋白质也维持在一个相对稳定的一个温度上同时给化学反应提供一场所。生物体系的热能输运可以分为三个层面,宏观(如组织),微观(如细胞), 和纳米尺度(如DNA和蛋白质)。

        组织层面主要由两个亚体系组成:可以看出是均匀介质的细胞组织层面和由包括动脉和静脉血管组成的分叉结构。对这个层次上的热传递,我们将用复杂分形网络结构嵌入在均匀媒介(细胞组织)来模拟。我们近来关于复杂网络上热传导的研究工作发现很多有趣的物理现象,比如热整流和反Kirchhoff 定律。在分子层面,研究发现蛋白质中的热输运不满足于宏观尺度的傅里叶定律。

        中心将研究生物体系如何在这三个层面上有效地调控热能。最终我们将开辟仿生学的一个新的领域。