2017 Fiscal Year Research-status Report
新規ナノシート束の創生，構造制御とエネルギーデバイスへの応用
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17K06347
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
立岡 浩一 静岡大学, 工学部, 教授 (40197380)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | シリサイド / シリコン / ナノシート / 化学気相成長法 / トポケミカル反応 / ボールミリング処理 / ナノ構造制御 / 熱電素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はナノシートの積層構造からなるナノシート束を作製し，そのモルフォロジー及び構造制御を行うプロセスを開発する事を目的とする．１年目には，ナノシート束のモルフォロジーを造り分け，さらにナノシート各々の組成・結晶構造を造り分ける制御プロセスを確立するため以下の実験を行った．
MnCl2/Siソースを用いたCVD法によりフラワー状のSiナノシート束をSi基板上に作製した．シート厚さ100 nm 或いはそれ以下のシートが得られたがフォトルミネッセンス(PL)測定ではキャリアの閉じ込め効果は確認できなかった．そこでCaSi2粉末およびSi基板上に成長させたCaSi2マイクロウオールをIP6(フィチン酸)水溶液によりCaを脱離しSiナノシート束を作製した．続いてFeCl2を用いた熱処理を用いて成長したSiナノシート束の微細構造と光学特性を評価した．これらのSiシート束からのPL発光はCaSi2の長周期構造を引き継いだc軸方向~1nmの長格子構造による発光である事が分かった．
CaSi2をNH4Cl，潮解したMgCl2，FeCl2, FeCl3とともに熱処理を施す事によりSiナノシート束を作製し微細構造を比較した．それぞれのナノシートの見かけ上の厚さが用いる塩化物により変化する事が分かった．
ナノシート束の物性制御を目的としてCaSi2を IP6-CoCl2混合水溶液処理を施す事によりナノシート束を作製した．これによりIP6に含有するPをSiナノシートに添加可能である事が示唆された．Siナノシート束の機能向上のためMg2Si/Siナノシート束コンポジットを作製し微細構造を評価した．またCaSi2をFeCl2とともにボールミリング処理を施しCaSi2結晶の構造変化を調べた．Siナノシート束の構造改変が期待される．さらにCaCuSi4O10よりCaを脱離し酸化物ナノシート束を作製した．
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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
１年目において様々な方法でナノシート束を作製し，その構造制御と構造改変を試みた．ナノシート束の骨格作製についてはほぼ終了しナノ構造の構造改変が研究の中心になっている．計画時にあげた反応種のうちNH4Cl処理により作製したナノシート束では他の塩化物を用いて作製した場合とは異なるFTIRスペクトルが得られた．表面の改質効果が現れている事が期待できる．CaSi2結晶のをFeCl2とともにメカニカルアロイング処理する事によりCaSi2結晶のXRDピークに僅かな変化が見られた．これにより最終物質Siナノシートの構造改変が期待できる．IP6,クエン酸,リンゴ酸等を用いた水溶液中での化学反応を試みた(ASCO-NANOMAT 2018にて発表予定)．MoS2のⅥ族元素をSiなどのIV族元素に置換してシリサイド系ナノシートを作製する試みを密閉容器中にて試みた．またテンプレートとして上記シリサイドの他，CaCuSi4O10よりCaを脱離し酸化物ナノシート束を作製した．他のSi以外のⅣ族元素とCaとの化合物については試料作製を開始した．系統的な結果が待たれる．CoCl2，FeCl3等を用いて水溶液処理するプロセスによりSi系ナノシート束の構造改変を試みたところ，アモルファスナノシートが生成され，そのメカニズムを明らかにする事とした．またCaSi2結晶からCaが脱離されSiナノシートが生成される過程を調べるためCa欠損CaSi2結晶の構造変化を調べる事が重要である事がわかり取り組む事とした．
その他，MnCl2/SiソースによるSiナノシート束の作製， Siナノシート束のPLスペクトル評価，CaSi2を潮解したMgCl2, FeCl3とともに熱処理を施す事によるSiナノシート束の作製と微細構造の評価，Mg2Si/Siナノシート束コンポジットの作製を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
１年目には色々な方法でシリコン系ナノシート束及びコンポジットを作製してきた．２年目以降には，これらナノ構造の物性評価に重点をおき熱電半導体素子，Liイオン電池，太陽電池の電極への応用を検討する．同時に物性評価結果をナノ構造作製プロセスにフィードバックし特性向上をはかる．上記ナノシートが積層し密に束となったナノシート束の形態，形状及び諸物性を検証し，ナノシートそれぞれの構造，ナノシート束のモルフォロジーが諸物性に与える影響を明らかにする．電子顕微鏡観察，X線回折に加え，ラマン測定，XPS, NMR, FTIRなどを評価しナノ構造の微細構造，生成過程を明らかにする．またホトルミネッセンス，カソードルミネッセンスを測定し光学特性，ナノ構造化による量子効果を検証する．さらにナノシートがその集合体をつくる（束になる）事による特性の改変を調べる．電気特性評価，ゼーベック係数測定を行い熱電材料への応用の可能性を検討する．これらの評価により数種ある作製プロセスのうち最も応用に効果があるプロセスを選別する．
ナノ構造熱電素子への応用のため，CaSi2結晶或いはSiナノシート束をMg（又はMgCl2）或いはMnCl2蒸気雰囲気中にて熱処理を施す事によりMg2Si及びMnSi1.7ナノシート束（またはシリサイド/Siナノシートコンポジットの構造を作製する．さらに一年目に開発した構造改変，表面改変技術を取り入れ特性改善を行う．
これまでにない新規なナノシートからなる束（塊）や新規層状構造を有するバルク結晶を創生する．基板としてナノシート束の材料と異なる異種基板への成長も試みる．
作製したナノシート束の応用として熱電半導体素子の電極として採用し，熱電エネルギー変換効率を向上させる．Liイオン電池，太陽電池の電極にも応用しエネルギー効率の向上を目指す．
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Research Products
(25 results)
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[Journal Article] Synthesis of flowerlike Si nanostructures on Si substrates2017
Author(s)
Yuan Peiling, Tamaki Ryo, Suzuki Hiroaki, Sasaki Kenta, Nakayama Makoto, Saito Yuya, Kusazaki Shinya, Kumazawa Yuki, Meng Xiang, Ahsan Nazmul, Okada Yoshitaka, Tatsuoka Hirokazu
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Journal Title
Japanese Journal of Applied Physics
Volume: 56
Pages: 05DE05～05DE05-6
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] KFM によるゼーベック係数評価のための Si ワイヤの表面電位測定2018
Author(s)
鈴木悠平, 岡晃人, 川合健斗, 熊田剛大, 島圭佑, 富田基裕, 立岡浩一, ファイズ サレ, 松木武雄, 渡邉孝信, 池田浩也
Organizer
第65回応用物理学会春季学術講演会
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