エネルギーデバイス界面の動的電気測定による疎性モデリングの産業応用

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 26120502
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 島田 敏宏 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10262148)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2015: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2014: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: エネルギーデバイス界面 / インピーダンス分光 / システム同定 / h-BN / グラフェン / 仕事関数 / エネルギーデバイス / 価数変化 / キャパシタ / 疎性モデリング

Outline of Annual Research Achievements

二次電池、燃料電池、太陽電池などエネルギーデバイスにおいては原子レベルで制御された界面が本質的な役割を果たす。本研究では、原子レベルでの界面制御を行った物質・デバイスの設計と開発およびエネルギーデバイスの動的電気特性の効率的な測定法の追求とを目的とした。得られた成果は以下の通りである。
１．二次電池の電極界面に価数変化できるナノ粒子を配置した場合の蓄電性能の変化について物理的考察を行い、定量的に明らかにした。２．動的電気特性の測定実験とデータ解析法の開発を行い、RC等価回路に対しては、示すようにLjungの”Output Error(OE)モデル”によるシステム同定を基本とする解析法がよいことが分かった。３．太陽電池・二次電池等に用いるナノ界面構築のための材料開発を行い、カーボンナノチューブ(CNT)・MoS2複合材料とFeナノワイヤの作製法を開発した。それぞれの太陽電池特性(CNT-MoS2)電気特性と磁気特性(Fe)について評価した。４．第一原理計算により炭素-ホウ素-窒素による新材料の設計を行った。グラファイトは金属であるが、六方晶窒化ホウ素は絶縁物である。それでは、窒化ホウ素中に炭素をドープしていった場合、電子状態はどのようになっているであろうか。これまでの研究から、六方晶窒化ホウ素のシート内で炭素は炭素原子同士で集まりやすいことが知られている。したがって、このような物質は炭素による「分子」を絶縁体に埋め込んだものとみなすことができる。第一原理計算の結果、「分子構造」によってバンドギャップが異なり、水素と炭素からできている分子とは異なる形状依存性を示すこと、奇数個の炭素を持つ場合にはNとBのどちらを多くCで置き換えたかに依存して仕事関数が1.8eVも変化することを見出した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Aalto University(Finland)
• [Int'l Joint Research] University of Wyoming(米国)
• [Journal Article] Carbon-Doped Hexagonal Boron Nitride: Analysis as π-Conjugate Molecules Embedded in Two Dimensional Insulator (2016)
  • Author(s): Wei Xie, Takashi Yanase, Taro Nagahama and Toshihiro Shimada
  • Journal Title: C: The Journal of Carbon Research Volume: 2 Issue: 1 Pages: 2-2
  • DOI: 10.3390/c2010002
  • NAID: 120005703692
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemical vapor deposition of MoS2: Insight into the growth mechanism by separated gas flow experiments (2016)
  • Author(s): Takashi Yanase, Sho Watanabe, Mengting Weng, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Journal Title: Journal of Nanoscience and Nanotechnology Volume: 16 Issue: 4 Pages: 3223-3227
  • DOI: 10.1166/jnn.2016.12313
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Colorful Carbon Nanopopcorns Formed by Codepositing C₆₀ with Diamond-like Carbon Followed by Reaction with Water Vapor (2015)
  • Author(s): Wei Xie, Aiko Kawahito, Takuya Miura, Takashi Endo, Yongming Wang, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Yukitoshi Otani, Toshihiro Shimada
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 44 Issue: 9 Pages: 1205-1207
  • DOI: 10.1246/cl.150470
  • NAID: 130005096889
  • ISSN: 0366-7022, 1348-0715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of Fe nanowires on yittrium-stabilized zirconia single crystal substrates by thermal CVD methods (2015)
  • Author(s): A. Kawahito, T. Yanase, T. Endo, T. Nagahama, and T. Shimada
  • Journal Title: journal of applied physics Volume: 117 Issue: 17
  • DOI: 10.1063/1.4908150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] フレキシブルデバイスのための 価数変化可能な極板を持つ蓄電素子の静電気学的考察 (2015)
  • Author(s): 島田敏宏、柳瀬隆、長浜太郎
  • Journal Title: 電気学会C部門誌 Volume: 135 Pages: 164-167
  • NAID: 130004870133
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multilayered MoS2 Nanoflakes Bound to Carbon Nanotubes as Electron Acceptors in Bulk Heterojunction Inverted Organic Solar Cells (2015)
  • Author(s): Il Jeon, Dai Kutsuzawa, Yu Hashimoto, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada, Yutaka Matsuo
  • Journal Title: Organic Electronics Volume: 17 Pages: 275-280
  • NAID: 120005593434
• [Journal Article] Multilayered MoS2 nanoflakes bound to carbon nanotubes as electron acceptors in bulk heterojunction inverted organic solar cells (2015)
  • Author(s): Il Jeon, Dai Kutsuzawa, Yu Hashimoto, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada, Yutaka Matsuo
  • Journal Title: Organic Electronics Volume: 17 Pages: 275-280
  • NAID: 120005593434
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrostatic model of solid-state capacitor with ionizable charge traps (2014)
  • Author(s): Toshihiro Shimada, Taro Nagahama, and Takashi Yanase
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 53 Issue: 8 Pages: 088004-088004
  • DOI: 10.7567/jjap.53.088004
  • NAID: 120005462426
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 層状金属カルコゲナイドCVD 成長におけるナノ形態制御 (2015)
  • Author(s): 島田敏宏
  • Organizer: 真空学会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
  • Invited
• [Presentation] Colorful carbon nanopopcorns formed by plasma CVD of diamond-like carbon by CH4 with exposure to H2O vapor (2015)
  • Author(s): Wei Xie, Takuya Miura, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Organizer: 9th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-9/GEC-68/SPP-33)
  • Place of Presentation: Hawaii,USA
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A thermocouple-based remote temprature controller of an electrically floated sampleto study plasma CVD growth of carbon nanotube (2015)
  • Author(s): Takuya Miura, Wei Xie, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Organizer: 9th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-9/GEC-68/SPP-33)
  • Place of Presentation: Hawaii,USA
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasma CVD synthesis of new diamond-bismuth thin films by solid-source immersion (2015)
  • Author(s): Takahiro Tamura, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Organizer: 9th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-9/GEC-68/SPP-33)
  • Place of Presentation: Hawaii,USA
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 炭素ドープh-BN の電子状態計算 (2015)
  • Author(s): Xie Wei, 柳瀬 隆, 長浜 太郎, 島田 敏宏
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Toshihiro Shimada (2015)
  • Author(s): High Energy Chemistry for Carbon-Based Materials Synthesis
  • Organizer: 8th NTTHX Symposium
  • Place of Presentation: Urmuqi, China
  • Year and Date: 2015-08-09
  • Int'l Joint Research
• [Book] Molybdenum Disulfide: Synthesis, Properties and Industrial Applications, chapter 4 (2016)
  • Author(s): Toshihiro Shimada and Takashi Yanase
  • Total Pages: 9
  • Publisher: Nova publishers