Thermal conductance measurement of single-walled carbon nanotubes heterostructured with isotope atoms and atomic layers

• Project/Area Number: 20K14660
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Inoue Taiki 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00748949)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 単層カーボンナノチューブ / 窒化ホウ素 / 同位体 / ヘテロ構造 / 熱伝導 / 薄膜 / ナノ材料 / ヘテロナノチューブ

Outline of Research at the Start

単層カーボンナノチューブ(CNT)は高い熱伝導率を持つが、1層の原子層から成るため、原子層内への異原子の導入や、表面における異物質との接触により、その伝熱特性は大きく変化することが予想されている。一方で、そのようなヘテロ構造の制御合成や熱伝導率計測は技術的に困難であった。本研究では、同位体炭素原子を格子内に一定割合で混合した単層CNTや、単層CNT周囲に異種原子層を同心合成したヘテロナノチューブを合成し、その熱伝導特性を測定する。ナノ材料の構造と熱伝導特性に関する関係を解き明かし、機能化熱伝導材料開発への道筋を拓く。

Outline of Final Research Achievements

We synthesized a coaxial heterostructure consisting of single-walled carbon nanotubes (CNT) and boron nitride nanotubes (BNNT) and realized an increase in the thermal conductivity of the heterostructured thin films, which confirms the effectiveness of structure-designed nanomaterials for controlling physical properties. We also produced CNTs with isotope superlattice.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究ではナノ材料の構造制御によりその熱伝導特性などの物理的性質を制御できることを実証した。特に、ナノチューブ物質としてはカーボンナノチューブや窒化ホウ素ナノチューブなど様々なものが知られるが、それらの特長を組み合わせることで、単一の材料では得られない機能を有する新材料としてヘテロ構造化ナノチューブを構築可能である。ヘテロ構造化ナノチューブの更なる構造制御により、機能化薄膜や電子素子などとしての応用の実現が期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Aalto University(フィンランド)
• [Journal Article] Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes from Solid Carbon Nanoparticle Seeds via Cap Formation Engineering with a Two-Step Growth Process and Water Vapor Supply (2022)
  • Author(s): Wang Mengyue、Nakamura Keisuke、Arifuku Michiharu、Kiyoyanagi Noriko、Inoue Taiki、Kobayashi Yoshihiro
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 4 Pages: 3639-3648
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c06268
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Universal Map of Gas-Dependent Kinetic Selectivity in Carbon Nanotube Growth (2022)
  • Author(s): Otsuka Keigo、Ishimaru Ryoya、Kobayashi Akari、Inoue Taiki、Xiang Rong、Chiashi Shohei、Kato Yuichiro K.、Maruyama Shigeo
  • Journal Title: ACS Nano Volume: - Issue: 4 Pages: 5627-5627
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c10569
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoluminescence from Single-Walled MoS2 Nanotubes Coaxially Grown on Boron Nitride Nanotubes (2021)
  • Author(s): Ming Liu, Kaoru Hisama, Yongjia Zheng, Mina Maruyama, Seungju Seo, Anton Anisimov, Taiki Inoue, Esko I. Kauppinen, Susumu Okada, Shohei Chiashi, Rong Xiang, and Shigeo Maruyama
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 15 Issue: 5 Pages: 8418-8426
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c10586
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tailoring the surface morphology of carbon nanotube forests by plasma etching: A parametric study (2021)
  • Author(s): Seo Seungju、Kim Sanha、Yamamoto Shun、Cui Kehang、Kodama Takashi、Shiomi Junichiro、Inoue Taiki、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo、Hart A. John
  • Journal Title: Carbon Volume: 180 Pages: 204-214
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.04.066
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] One-dimensional van der Waals heterostructures: Growth mechanism and handedness correlation revealed by nondestructive TEM (2021)
  • Author(s): Zheng Yongjia、Kumamoto Akihito、Hisama Kaoru、Otsuka Keigo、Wickerson Grace、Sato Yuta、Liu Ming、Inoue Taiki、Chiashi Shohei、Tang Dai-Ming、Zhang Qiang、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Li Yan、Suenaga Kazu、Ikuhara Yuichi、Maruyama Shigeo、Xiang Rong
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 37
  • DOI: 10.1073/pnas.2107295118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bulk-scale synthesis of randomly stacked graphene with high crystallinity (2021)
  • Author(s): Xu Zizhao、Nakamura Shingo、Inoue Taiki、Nishina Yuta、Kobayashi Yoshihiro
  • Journal Title: Carbon Volume: 185 Pages: 368-375
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.09.034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Zeolite-supported synthesis, solution dispersion, and optical characterizations of single-walled carbon nanotubes wrapped by boron nitride nanotubes (2021)
  • Author(s): Feng Ya、Li Henan、Hou Bo、Kataura Hiromichi、Inoue Taiki、Chiashi Shohei、Xiang Rong、Maruyama Shigeo
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 129 Issue: 1 Pages: 015101-015101
  • DOI: 10.1063/5.0035674
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phenomenological model of thermal transport in carbon nanotube and hetero-nanotube films (2021)
  • Author(s): Wang Pengyingkai、Feng Ya、Xiang Rong、Inoue Taiki、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 32 Issue: 20 Pages: 205708-205708
  • DOI: 10.1088/1361-6528/abe151
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] One-Dimensional van der Waals Heterojunction Diode (2021)
  • Author(s): Feng Ya、Li Henan、Inoue Taiki、Chiashi Shohei、Rotkin Slava V.、Xiang Rong、Maruyama Shigeo
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 15 Issue: 3 Pages: 5600-5609
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c00657
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-catalytic heteroepitaxial growth of aligned, large-sized hexagonal boron nitride single-crystals on graphite (2020)
  • Author(s): Arai Hayato、Inoue Taiki、Xiang Rong、Maruyama Shigeo、Chiashi Shohei
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 00 Issue: 18 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1039/d0nr00849d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced In-Plane Thermal Conductance of Thin Films Composed of Coaxially Combined Single-Walled Carbon Nanotubes and Boron Nitride Nanotubes (2020)
  • Author(s): Wang Pengyingkai、Zheng Yongjia、Inoue Taiki、Xiang Rong、Shawky Ahmed、Watanabe Makoto、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 14 Issue: 4 Pages: 4298-4305
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b09754
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 単層カーボンナノチューブに基づく一次元ヘテロ構造 (2020)
  • Author(s): 井ノ上 泰輝, 項 栄, 丸山 茂夫
  • Journal Title: NEW DIAMOND Volume: 36 Pages: 24-24
• [Presentation] Catalyst-free CVD synthsis of graphene on various crystal materials (2022)
  • Author(s): Kenta Kusakabe,Yuta Fujisaki,Taiki Inoue,Shigeo Maruyama,Shohei Chiashi
  • Organizer: 第62回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Fabrication and characterization of horizontal arrays of SWCNT-BNNT heteronanotubes (2022)
  • Author(s): Satoru Matsushita,Taiki Sugihara,Guangyao Zhu,Keigo Otsuka,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第62回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] CO2-driven tuning of growth rate, lifetime, and incubation of horizontal arrays of carbon nanotubes (2022)
  • Author(s): Ryoya Ishimaru,Keigo Otsuka,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第62回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Gas-dependent kinetic selectivity in catalytic chemical vapor deposition of single-walled carbon nanotubes (2022)
  • Author(s): Keigo Otsuka,Ryoya Ishimaru,Taiki Inoue,Rong Xiang,Shohei Chiashi,Yuichiro K. Kato,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第62回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] ファンデルワールスヘテロナノチューブの合成 (2022)
  • Author(s): 井ノ上 泰輝, 鄭 永嘉, 馮 雅, 柳 銘, 項 栄, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] カーボン層被覆した窒化ホウ素ナノチューブにおける化学結合状態の解析 (2022)
  • Author(s): 加藤 雅清, 井ノ上 泰輝, 周 詠凱, Chiew Yi Ling, 末永 和知, 仲武 昌史, 高倉 将一, 渡辺 義夫, 小林 慶裕
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Hyperspectral Imaging of MoS2-hBN-Carbon Heteronanotubes: Novel Analytical Method with Optical Resolution of λ/3700 (2021)
  • Author(s): S. V. Rotkin,Y. Feng,H. Li,T. Inoue,S. Chiashi,R. Xiang,S. Maruyama
  • Organizer: 239th ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Device Applications of One-Dimensional van der Waals Heterostructure Nanotubes (2021)
  • Author(s): Ya Feng,Henan Li,Taiki Inoue,Slava V. Rotkin,Rong Xiang,Shigeo Maruyama
  • Organizer: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tracing acetylene-accelerated growth process of horizontally aligned carbon nanotubes by isotope labeling (2021)
  • Author(s): Akari Kobayashi,Ryoya Ishimaru,Keigo Otsuka,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Shigeo Maruyama
  • Organizer: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth mechanism and handedness relation of one-dimensional van der Waals heterostructures (2021)
  • Author(s): Yongjia Zheng,Akihito Kumamoto,Rong Xiang,Kaoru Hisama,Keigo Otsuka,Yuta Sato,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Daiming Tang,Qiang Zhang,Anton Anisimov,Esko Kauppinen,Kazu Suenaga,Yuichi Ikuhara,Shigeo Maruyama
  • Organizer: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of oxidants on SWCNT growth analyzed by isotope labeling technique (2021)
  • Author(s): Ryoya Ishimaru,Keigo Otsuka,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第61回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Growth mechanism and handedness relation of 1D SWCNT-BNNT van der Waals heterostructures (2021)
  • Author(s): Yongjia Zheng,Akihito Kumamoto,Kaoru Hisama,Keigo Otsuka,Yuta Sato,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Daiming Tang,Qiang Zhang,Anton Anisimov,Esko I. Kauppinen,Kazu Suenaga,Yuichi Ikuhara,Rong Xiang,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第61回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Chemical vapor deposition growth of carbon layers on boron nitride nanotubes (2021)
  • Author(s): Taiki Inoue,Masakiyo Kato,Yungkai Chou,Yoshihiro Kobayashi
  • Organizer: 第61回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Fabrication of SWCNT-BNNT field-effect transistors and evaluation of contact resistance (2021)
  • Author(s): Taiki Sugihara,Satoru Matsushita,Shu Sato,Keigo Otsuka,Taiki Inoue,Shohei Chiashi,Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第61回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] カーボンナノチューブ・窒化ホウ素ナノチューブ複合構造の合成 (2021)
  • Author(s): 加藤 雅清,周 詠凱,井ノ上 泰輝,小林 慶裕
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Annealing Influence on Hall Measurement of Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films (2021)
  • Author(s): Hiroki Date, Mika Nagatomo, Akari Kobayashi, Taiki Inoue, Takenori Fujii, Esko Kauppien, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • Organizer: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Growth mechanism and handedness relation of one-dimensional van der Waals heterostructures (2021)
  • Author(s): Yongjia Zheng, Akihito Kumamoto, Rong Xiang, Kaoru Hisama, Keigo,Otsuka, Yuta Sato, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Daiming Tang, Qiang Zhang, Anton Anisimov, Esko Kauppinen, Kazu Suenaga, Yuichiro Ikuhara, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Analysis of acetylene-induced growth acceleration of single-walled carbon nanotubes by isotope labeling technique (2021)
  • Author(s): Akari Kobayashi, Ryoya Ishimaru, Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Investigation of water adsorption on vertically-aligned single-walled carbon nanotubes by Raman spectroscopy (2021)
  • Author(s): Masanori Bamba, Shu Sato, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • Organizer: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] One-dimensional van der Waals heterostructures (2020)
  • Author(s): Rong Xiang, Yongjia Zheng, Ming Liu, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 単層CNT電極を用いたペロブスカイト-シリコンタンデム太陽電池 (2020)
  • Author(s): 秋野 広佑, 長屋 皓紀, Shawky Ahmed, 井ノ上泰輝, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単層CNT薄膜のホール効果計測における分子吸着の影響 (2020)
  • Author(s): 伊達 寛紀, 長友 実花, 小林 明香里, 井ノ上 泰輝, 藤井 武則, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ラマン散乱分光による垂直配向単層カーボンナノチューブにおける水分子吸着効果の分析 (2020)
  • Author(s): 番場 雅典, 佐藤 周, 井ノ上 泰輝, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] h-BN上へのガス配向成長CNTのラマン分光測定 (2020)
  • Author(s): 佐藤 周, 四元 聡, 番場 雅典, 井ノ上 泰輝, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Utilization of transparent SWCNT films in 4-terminal perovskite-silicon tandem solar cells (2020)
  • Author(s): Ahmed Shawky, Kosuke Akino, Takuya Matsui, Taiki Inoue, Esko Kauppinen, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] One dimensional hetero-junction diode (2020)
  • Author(s): Ya Feng, Henan Li, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Growth mechanism of one-dimensional heterostructures (2020)
  • Author(s): Yongjia Zheng, Yang Qian, Ming Liu, Akihito Kumamoto, Yuichi Ikuhara, Esko I Kauppinen, Shohei Chiashi, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Quantitative study of sheet thermal conductance of Single-Walled carbon nanotube film (2020)
  • Author(s): Pengyingkai Wang, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Makoto Watanabe, Shigeo Maruyama
  • Organizer: 第59回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 単層カーボンナノチューブに基づくヘテロ構造 (2020)
  • Author(s): 井ノ上 泰輝
  • Organizer: 炭素材料学会 次世代の会 第7回定例会
• [Remarks] Taiki Inoue
  • URL: http://www.ap.eng.osaka-u.ac.jp/nanomaterial/~inoue/index.html