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同位体グラフェンによるフォノン・チャージキャリアの制御

Research Project

Project/Area Number 15J12244
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Nanomaterials engineering
Research InstitutionOsaka Prefecture University

Principal Investigator

安野 裕貴  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsグラフェン / 同位体 / 熱電変換 / フォノン / 熱伝導 / 合成 / ゼーベック係数
Outline of Annual Research Achievements

近年、身近なエネルギーを再利用するエネルギーハーヴェストが注目されている。その中で温度差を利用して電力を創出する熱電変換は、無駄に捨てられている廃熱を電力に変換する手法であり、生活な身近なところで発電が可能である。しかし、高い変換効率には高い導電率と低い熱伝導率が必要であるが、通常の金属では電気と熱の伝導の担い手が同じであり、その独立制御が不可能である。しかしグラフェンは、電気は電子がキャリアであるが熱は格子振動(フォノン)が担い手であるため、フォノンのみを制御すれば熱電変換性能の飛躍的な向上が期待できる。
今年度はグラフェンのフォノン制御・熱電変換応用に向け、高導電率・低熱伝導率グラフェン膜の合成を目標とした。昨年度確立したグラフェンのドメイン拡大化の方法に加え、反応中の同位体メタンガス(12CH4, 13CH4)を切り替えることにより、単結晶内での同位体グラフェンヘテロ構造の作製に取り組んだ。さらに、これらの同位体グラフェンヘテロ構造のヘテロ接合界面間の距離を、同位体メタンガスの流入時間制御によって、コントロールした。このヘテロ接合界面間距離の制御が可能になったことで、グラフェンチャネル中のヘテロ界面の数によるグラフェンの熱伝導率への影響を調べることが可能になった。グラフェンチャネル中に同位体ヘテロ接合界面を導入すると、数の増加に応じて熱伝導率の減少を観測できた(界面一つで33%の減少、界面二つで50%の減少)。このことから、ヘテロ接合界面間距離を小さくし、ヘテロ接合界面の数を増やすことによって、グラフェンのさらなる熱伝導率制御が可能であることを明らかにした。また、作製された同位体グラフェンヘテロ構造は、電界効果移動度が5,000cm2/Vsと高品質なグラフェンと遜色ない値を示し、導電率の低下が見られないため、効率よく熱電変換性能の向上が可能である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2017 2016 2015 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Enhancement of graphene thermoelectric performance through defect engineering2017

    • Author(s)
      Y. Anno, Y. Imakita, K. Takei, S. Akita, T. Arie
    • Journal Title

      2D Mater.

      Volume: 4 Issue: 2 Pages: 0250191-6

    • DOI

      10.1088/2053-1583/aa57fc

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Enhancing the Thermoelectric Device Performance of Graphene Using Isotopes and Isotopic Heterojunctions2015

    • Author(s)
      Y.Anno,K.Takei,S.Akita,T.Arie
    • Journal Title

      Adv.Electron. Mater

      Volume: 1 Issue: 9 Pages: 1500175-1500175

    • DOI

      10.1002/aelm.201500175

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhancing graphene thermoelectric performance through defect engineering2017

    • Author(s)
      Yuki Anno, Yuki Imakita, Masato Takeuchi, Masaya Matsuoka, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai-
    • Place of Presentation
      Kyoto International Community House, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2017-01-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Carrier scattering mechanism probed by thermoelectric measurement2016

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seji Akira, Takayuki Arie
    • Organizer
      8th International Conference on Recent Progress in Graphene/2D Research
    • Place of Presentation
      Sungkyunkwan University, Seoul, Korea
    • Year and Date
      2016-09-25
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 欠陥導入によるグラフェンの熱伝導率制御2016

    • Author(s)
      安野裕貴、今北悠貴、竹井邦晴、秋田成司、有江隆之
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of Defects on Graphene Thermoelecric Properties2016

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      The 43rd International Symposium on Compound semiconductors
    • Place of Presentation
      Toyama International Conference Center, Toyama, Japan
    • Year and Date
      2016-06-26
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Defects on Graphene Thermoelectic Properties2016

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      The 43rd International Symposium on Compound Semiconductor
    • Place of Presentation
      Toyama Internatinal Conference Center, Toyama, Japan
    • Year and Date
      2016-06-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Defect engineering of graphene for thermoelectrics2016

    • Author(s)
      Yuki Anno, Yuma Yasui, Masato Takeuchi, Masaya Matsuoka, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems
    • Place of Presentation
      Mastusima Taikanso, Miyagi, Japan
    • Year and Date
      2016-04-17
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Defect engineering of graphene for thermoelectrics2016

    • Author(s)
      Yuki Anno, Yuma Yasui, Masato Takeuchi, Masaya Matsuoka, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems
    • Place of Presentation
      Hotel Matsushima Taikanso, Miyagi, Japan
    • Year and Date
      2016-04-17
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ゼーベック係数の欠陥状態・キャリア散乱依存性2016

    • Author(s)
      安野裕貴、竹井邦晴、秋田成司、有江隆之
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-03-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] 欠陥によるグラフェンのゼーベック係数の影響2016

    • Author(s)
      安野裕貴、竹井邦晴、秋田成司、有江隆之
    • Organizer
      応用物理学会関西支部 第3回講演会
    • Place of Presentation
      大阪府立大学(大阪府堺市)
    • Year and Date
      2016-02-05
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Introducing carbon isotopes and isotopic heterojunction into graphene for enhancing graphene-based thermoelectric device performance2015

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology
    • Place of Presentation
      Hilton Waikoloa Village, Hawaii, USA
    • Year and Date
      2015-11-29
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Defect-induced effect on graphene thermoelectric power2015

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      7th International Conference on Recent Progress in Graphene Research
    • Place of Presentation
      Mantra Resort, Lorne, Australia
    • Year and Date
      2015-10-25
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 欠陥導入によるグラフェンの熱電特性への影響2015

    • Author(s)
      安野裕貴、竹井邦晴、秋田成司、有江隆之
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場(名古屋市熱田区)
    • Year and Date
      2015-09-13
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermoelectric properties of graphene heterostructures with carbon isotopes2015

    • Author(s)
      Yuki Anno, Kuniharu Takei, Seiji Akita, Takayuki Arie
    • Organizer
      The Sixteen International Conference on the Science and Application of Nanotubes
    • Place of Presentation
      Nagoya University, Nagoya, Japan
    • Year and Date
      2015-06-29
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 秋田研究室 - 電子物理工学分野 - 大阪府立大学

    • URL

      http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/nanodevice-pe4/

    • Related Report
      2016 Annual Research Report

URL: 

Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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