2018 Fiscal Year Annual Research Report
Independent control of heat/charge transport using CNT/protein junctions and its application to thermally insulating thermoelectric generators
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16H04333
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
中村 雅一 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80332568)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 一郎 大阪大学, 工学研究科, 特任教授 (30379565)
小島 広孝 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70713634)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / ハイブリッド材料 / カーボンナノチューブ / タンパク質 / 熱・キャリア輸送制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、代表者らが基本コンセプトを実証した、「半導体粒子内包かご状タンパク質分子(Dps)を接合部に有する超低熱伝導率カーボンナノチューブ(CNT)複合熱電材料」および「p/nドーピングされたCNT複合材料紡績糸による布状熱電変換素子作製法」を発展・統合させ、低温・低容量な熱源から非接触状態でも十分な内外温度差を得て発電する断熱性フレキシブル熱電変換素子を実現することを最終的な目的とする。H30年度は、C-Dps/CNT複合材料を紡糸する上で重要なファクターとなることが判明したCNT原料の1次分散法の再検討、および、Dpsの透過関数評価を主に行った。
複雑に絡み合ったCNT原料を最終的に均一な紡績糸にするためには、サイズの大きい凝集状態を極力なくす必要があり、そのためには原料の1次分散が重要である。これに影響する因子としては、イオン液体による分散手順、添加する分散剤、2次分散に向けたイオン液体の除去法、Dps吸着条件、過剰Dpsの除去法などがある。これらについて最適化を行い、長尺のC-Dps/CNT複合材料紡績糸が比較的安定に得られるようになった。
Dpsの透過関数評価は、AuナノギャップにAuバインディングペプチドアプタマーを付与したDpsを吸着させることにより行った。溶液中のDps濃度、pH、ブロッキング剤濃度などを最適化し、Auナノギャップ基板を一定時間浸漬することで高頻度に単一分子接合素子が形成できるようになった。それを用いて、室温および低温で分子接合のI-V特性を評価したが、低温ではタンパク質シェルが変性し、安定した特性が得られなかった。一方、室温でのI-V特性からは、キャリア輸送準位の一方（おそらく伝導帯）は量子トンネル効果によって、もう一方はホッピング伝導によってキャリアが分子接合を透過していると考えられる結果を得た。
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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
長尺のC-Dps/CNT複合材料紡績糸が比較的安定に得られるようになったことにより、紡績糸状態での熱電特性や熱伝導率が評価できるようになってきた。最終年度に向けて、モジュール作製と素子特性評価まで到達できるめどがたったと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
紡績糸の状態での熱電特性を最適化するために、C-Dps吸着密度のさらなる最適化、C-Dpsコアの透過関数の評価と最適化、より高い性能を有するバインダーポリマーの選択、パワーファクターを最大化するドーピング条件などを調べ、高性能化に向けた研究を行う。また、特性安定化のためのパッシベーションコーティングの方法を検討し、真空状態での熱電特性等の不安定化の抑止と性能の長期安定性を得ることを目指す。
単一分子素子での透過関数評価から、キャリア極性の一方はトンネル効果でなくホッピング伝導が支配的であることが疑われている。また、Auを基準に電子とホールの注入障壁が同程度であると推測されている。様々なコア材料について評価を行い、接合部に十分大きいｐ型あるいはｎ型のゼーベック効果を持たせる方法を探索する。
最終年度であることから、後半ではモジュール特性の評価にも力を入れ、高性能な布状熱電変換素子の実使用環境でのデモンストレーションなども行う。
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