Interface engineering for high performance carbon nanotube thermoelectric materials

• Project/Area Number: 21K04842
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 周 英 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (80738071)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 健郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (50392676) ; 張 民芳 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60518330)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: カーボンナノチューブ / 熱電性能 / 界面 / 熱電材料

Outline of Research at the Start

カーボンナノチューブ（CNT）を用いた熱電変換素子は低コスト、柔軟性に富んだゼロエミッションのエネルギーハーベストとして注目されている。本研究では、CNT同士の接合界面に着目し、CNTの化学修飾・分散成膜・評価技術を駆使し、CNT同士の接合界面における電荷移動とフォノン熱伝導を高度に制御することにより、CNTの熱電性能を飛躍的に向上する技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

CNT（カーボンナノチューブ）は、高い電気伝導性と熱電効果を有することから、熱電材料として注目を集めている。CNTの微細構造を精密に制御することにより、実用化レベルの熱電性能の向上が可能であり、最適なCNT構造を理解することで更なる性能向上が期待される。
今年度は、単層CNT膜作成において、CNT同士の接合界面を精密に制御することで、ゼーベック係数や熱伝導率などの熱電性能が飛躍的に向上することがわかった。つまり、CNT同士の接合界面を制御することで、熱電性能が大幅に向上した。また、CNTの種類や化学修飾方法によって異なる多様なCNT膜を作製し、接合界面の制御技術によって熱電性能の向上を再現性を確認した。
また、熱電性能の結果との相関解析を行うために、Raman、XPS、SEM、TEMなどの表面構造解析を実施し、最適なCNT構造を理解することができた。さらに、独自に開発した高分解能のSEM-EDX法とロックイン赤外線発熱解析法を使用して、CNT膜中の熱流と電流の分布を考察し、温度差によるゼーベック効果の向上のメカニズムを解明した。これらの結果をまとめて、論文投稿を行った。
CNT同士の接合界面を精密に制御することで、CNT膜の熱電性能が大幅に向上した。この研究により、最適なCNT構造やゼーベック効果の向上のメカニズムを理解することができ、今後、より効率的な熱電材料の開発に貢献することが期待される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年の目標であった、研究論文の投稿を達成しました。様々な評価手法を用いて、熱電性能向上の再現性を確認し、メカニズム解明にも大きく前進しました。

Strategy for Future Research Activity

この研究では、CNT同士の接合界面における熱電現象を詳しく解明しながら、材料の機械強度やその他の物性も評価しました。そして、最終年度では研究成果を積極的に発信し、この技術の効果をより詳しく解明するとともに、他の分野での応用も模索していく予定です。