| Project/Area Number |
21H05015
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section D
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長田 実 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10312258)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 茂生 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20251613)
小林 亮 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (50613395)
山本 瑛祐 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (60827781)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥191,750,000 (Direct Cost: ¥147,500,000、Indirect Cost: ¥44,250,000)
Fiscal Year 2024: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥51,480,000 (Direct Cost: ¥39,600,000、Indirect Cost: ¥11,880,000)
Fiscal Year 2022: ¥40,170,000 (Direct Cost: ¥30,900,000、Indirect Cost: ¥9,270,000)
Fiscal Year 2021: ¥63,180,000 (Direct Cost: ¥48,600,000、Indirect Cost: ¥14,580,000)
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| Keywords | ２次元材料 / 誘電体 / 原子膜技術 / 蓄電デバイス / 酸化物原子膜 / ナノシート / 蓄電キャパシタ / キャパシタ |
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| Outline of Research at the Start |
温室効果ガス排出削減、SDGs達成など、環境・エネルギー分野の長中期的課題を解決するためには、蓄電デバイスのイノベーションが必要となる。誘電体を用いた蓄電キャパシタは、リチウム二次電池などの従来の「化学電池」と異なり、充放電に化学反応を伴わず、高い出力密度を有するため、究極の安全、全固体蓄電デバイスとして期待されている。本研究では、応募者らが独自に開発した「分子レベルの厚さで巨大な誘電分極を示す酸化物原子膜」を対象に、原子層からナノ・メソに至るマルチスケールな誘電材料・デバイス開発を行うことで、ナノ誘電体の学理を探究し、誘電分極を活用した革新的蓄電キャパシタの創成を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代蓄電デバイスの開発を目指した新たな試みとして、酸化物原子膜「ナノシート」をベースとする革新的誘電材料・デバイスの開発を行う。本年度は、新材料開発とデバイス応用を中心に研究を進めた。
新規強誘電体、高誘電性ナノシートの開発に向けては、ペロブスカイトナノシートをテンプレートとして利用し、厚み、組成、構造を精密に制御して層状ペロブスカイトを合成する鋳型合成法を開発した。鋳型合成法による材料開発を推進し、Cs(Bi2Srn-3)(Tin-1Nb)O3n+1などの新規強誘電体および剥離ナノシートの開発に成功するとともに、層数に依存した強誘電発現機構スイッチングというユニークな特性を発見した。また、昨年度開発したTi置換Ca2Nan-3NbnO3n+1の最適組成の検討を進め、蓄電デバイスに好適な高誘電率（> 1000）と高耐電圧（> 4 MV/cm）を併せ持つナノシートの開発に成功した。
他方、デバイス面では、Ca2Nan-3NbnO3n+1ナノシートおよびそのTi置換体のキャパシタを作製し、蓄電デバイスの特性評価を実施した。その結果、ナノシートキャパシタでは、高誘電率化と高耐電圧化が同時に実現し、従来の高誘電体、強誘電体薄膜で到達困難な高エネルギー密度（500 J/cm3）を実現した。また、RuO2、GOナノシートを電極としたオールナノシートキャパシタ素子を作製し、高容量化が実現可能という予備的知見を得た。
さらに、典型誘電体や電極ナノシートの開発を目指し、新規合成法の開発や剥離ナノシート技術の高度化にも取り組んだ。これらの合成技術を貴金属、酸化物、複合アニオン系に適用することで、従来合成が困難であった金属ナノシート（Au, Pt, Pd）、Ru1-xCoxO2、酸フッ化物など広範なナノシート合成を達成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
蓄電デバイスに好適な高誘電率と高耐電圧を併せ持つ新規材料の開発に成功し、当初目的のナノシートの高誘電率化、高容量化を達成した。新規ナノシートをベースとした蓄電デバイスの開発も進め、従来の高誘電体、強誘電体薄膜で到達困難な高エネルギー密度（500 J/cm3）を実現した。さらに、典型誘電体におけるナノシート技術の適用や電極ナノシートの開発など、材料合成、機能開拓において当初の研究計画において予見していなかった新たな展開がみられ、当初を上回る成果があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究を通し、ペロブスカイトナノシートでは、巨大分極（高誘電率化）と高耐電圧化が同時に実現し、従来のトレードオフを解消した蓄電デバイスの設計・開発が可能となることが明らかになりつつある。今後は、材料開発とデバイス応用に注力し、申請時に掲げたナノ誘電体の学理探究、蓄電デバイスの革新を目指した研究を推進する。これにより、ナノシートの誘電キャパシタにより、従来の誘電材料の性能を凌駕し、リチウム二次電池に匹敵する高エネルギー密度の実現を目指す。
また、本研究で開発したボトムアップ合成法を広く無機化合物や金属系に適用することで、新規ナノ機能の創出やグラフェンを凌駕する機能開拓を目指す「ポストグラフェン研究」の新展開を図る。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.
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