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Development of Nanofluidic Thermoelectric Devices Using Two-Dimensional Materials

研究課題

研究課題/領域番号 23K22681
補助金の研究課題番号 22H01410 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

徐 偉倫  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50771549)

研究分担者 大宮司 啓文  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10302754)
江草 大佑  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80815944)
シャミン ジョバイル  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (00933988)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2025年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
キーワードNanofluidics / Electrokinetics / Analytical Chemistry / Nanopore / Two-dimensional material / Nanofabrication / Thermoelectrics / Nanopore technology / Energy conversion / Ion transport / Nnanofabrication / 2D materials
研究開始時の研究の概要

In this research project, we aim to construct a 2D nanofluidic thermoelectric system. The thermoelectric nanofluidic system is composed of a thermally insulated thin layer with nanoscale apertures made on two-dimensional materials. We aim to understand fundamental mechanisms of ion transport behavior in confined atomic space with the presence of a temperature gradient. Based on the
obtained information, we will design and optimize a 2D nanofluidic thermoelectric system that enables the huge thermopower conversion efficiency using low-grade heat for internet of things applications.

研究実績の概要

In this fiscal year, we summarized our collaborative work with Osaka University on nanofluidic thermoelectric cooling via the Peltier effect driven by charge-selective ion transport. We demonstrated that the nanopore temperature decreased with increasing transmembrane voltage in dilute electrolyte solutions, whereas the Joule heating effect is dominant at high salt concentrations. This unique characteristic may pave the way for the temperature control at the nanoscale. In the meanwhile, we have developed a method for nanopore fabrication on suspended two-dimensional materials. For a single nanopore, it can be drilled under transmission electron microscopy. Despite the precise fabrication, the process is expensive and time consuming. For practical applications, nanopore arrays are moredesired. On this account, we have developed a method for fabrication of large-scale suspended two-dimensional materials, which is suitable for nanopore array fabrication using lithography methods. Specifically, we have successfully transferred monolayer molybdenum disulfide onto a three-micron opening on a silicon nitride membrane. We first drilled an opening using focused ion beam milling on a silicon nitride membrane on top of a silicon substrate with an opening at its center. A monolayer molybdenum disulfide was transferred on top of the chip to cover the opening using a wet transfer method.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

The progress is accelerated by efficient collaboration. We worked with a research group at Osaka University, which has related experience in the topic. We have frequent online meetings discussing the experimental results to improve our work. In the meanwhile, the smooth teamwork and outstanding graduate students in our lab greatly facilitated the research advances. We also benefitted from our previous experience in nanopore sensing, being a solid foundation of the development of this technology.

今後の研究の推進方策

We will develop a lithography-based pore fabrication method for nanopore arrays on monolayer molybdenum disulfide. After that, atomic layer deposition will be conducted to shrink the pores down to the sub-5nm level. Following that, the thermoelectric properties of the nanofluidic system, including the Seebeck coefficient, power density and figure of merit will be experimentally measured and verified by a theoretical model based on the Poisson-Nernst-Planck equations.Finally, the optimal operating conditions will be proposed based on our research.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Peltier cooling for thermal management in nanofluidic devices2024

    • 著者名/発表者名
      Tsutsui Makusu、Yokota Kazumichi、Hsu Wei Lun、Garoli Denis、Daiguji Hirofumi、Kawai Tomoji
    • 雑誌名

      Device

      巻: 2 号: 1 ページ: 100188-100188

    • DOI

      10.1016/j.device.2023.100188

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 分子動力学法による電気二重層特性の解明2023

    • 著者名/発表者名
      Chewei Ou、王 浩宇、大宮司 啓文、徐 偉倫
    • 学会等名
      熱工学コンファレンス2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] A Molecular Dynamics Study on Electroosmotic Transport in Nanofluidic Channels2023

    • 著者名/発表者名
      Wei-Lun Hsu
    • 学会等名
      SNU-UTokyo Joint Workshop on Numerical Simulations and AI
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノ細孔を有する二次元材料を用いた熱電発電の理論解析2022

    • 著者名/発表者名
      徐 騫, 大宮司 啓文, 徐 偉倫
    • 学会等名
      日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Solid-state Nanopore Technology: Challenges and Opportunities2022

    • 著者名/発表者名
      Wei-Lun Hsu
    • 学会等名
      2022 Japan-Taiwan Precision Medicine, Biomedical Technology and Smart Services Workship
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] http://www.thml.t.u-tokyo.ac.jp/research.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] Fabrication of sub-10 nm circular nanopores on Two-dimensional materials2022

    • 発明者名
      徐偉倫;高元昭秀;Chun-Yen Lee等
    • 権利者名
      徐偉倫;高元昭秀;Chun-Yen Lee等
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-074270
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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