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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

Research Project

Project/Area Number 17K06347
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

立岡 浩一  静岡大学, 工学部, 教授 (40197380)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
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
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.

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.

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.

  • Research Products

    (25 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] マラヤ大(インドネシア)

    • Country Name
      INDONESIA
    • Counterpart Institution
      マラヤ大
  • [Journal Article] Formation of Si-based Nanosheet Bundles and Morphological Modification of CaSi2 Crystals by Thermal Treatment using Chloride Compounds2018

    • Author(s)
      Xiang Meng, Peiling Yuan, Kenta Sasaki, Keisuke Tsukamoto, Shinya Kusazaki, Yuya Saito, Yuki Kumazawa, Hirokazu Tatsuoka
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structural and photoluminescence properties of Si-based nanosheet bundles rooted on Si substrates2018

    • Author(s)
      Yuan Peiling, Tamaki Ryo, Kusazaki Shinya, Atsumi Nanae, Saito Yuya, Kumazawa Yuki, Ahsan Nazmul, Okada Yoshitaka, Ishida Akihiro, Tatsuoka Hirokazu
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Pages: 04FJ01~04FJ01-7

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.04FJ01

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] STRUCTURAL CHARACTERIZATION OF Si-BASED NANOWIRE AND NANOSHEET BUNDLES2017

    • Author(s)
      Yuan P., Sasaki K., Nakayama M., Kumazawa Y., Hikichi K., Tatsuoka H.
    • Journal Title

      Physics, Chemistry and Application of Nanostructures Reviews and Short Notes to Nanomeeting-2017

      Volume: - Pages: 11~17

    • DOI

      10.1142/9789813224537_0002

    • Peer Reviewed
  • [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
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 56 Pages: 05DE05~05DE05-6

    • DOI

      10.7567/JJAP.56.05DE05

    • Peer Reviewed
  • [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
  • [Presentation] 酸性溶液処理による酸化物粉末からのナノ構造物の作製2018

    • Author(s)
      草﨑真也, 高橋尚久, 立岡浩一
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 金属塩化物処理によるSi基ナノシート改質の試み2018

    • Author(s)
      小西一摩, 久次米佑哉, 加藤翼, 熊澤佑貴, 高橋尚久, 立岡浩一
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 表面電位顕微鏡を用いたナノ材料ゼーベック係数測定手法の開発2018

    • Author(s)
      鈴木悠平, 岡晃人, 川合健斗, 立岡浩一, 猪川洋, 下村勝, 村上健司, ファイズ サレ, 池田浩也
    • Organizer
      電子情報通信学会電子デバイス(ED)・シリコン材料デバイス(SDM)合同研究会
  • [Presentation] 金属塩化物蒸気中での熱処理によるCaSi2結晶の構造変化2018

    • Author(s)
      袁佩玲, 孟祥, 草﨑真也, 齋藤優弥, 熊澤佑貴, 立岡浩一
    • Organizer
      第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
  • [Presentation] Structural and morphological modification of nanowires and nanosheets2017

    • Author(s)
      Hirokazu Tatsuoka, Shinya Kusazaki, Yuya Saito, Yuki Kumazawa, Nanae Atsumi, Lixue Cheng, Peiling Yuan
    • Organizer
      The International Conference on High-Performance Ceramics 2017 (CICC-2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Formation of Si-based Nanosheet Bundles and Structural Modification of CaSi2 Crystals by Thermal Treatment under Metal-Chloride Vapors2017

    • Author(s)
      Xiang Meng, Peiling Yuan, Shinya Kusazaki, Yuya Saito, Yuki Kumazawa, Hirokazu Tatsuoka
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simple Syntheses of Si-Based Nanowires, Nanosheets and their Bundle Structures2017

    • Author(s)
      Hirokazu Tatsuoka, Yuki Kumazawa, Shinya Kusazaki, Yuya Saito, Nanae Atsumi, Peiling Yuan
    • Organizer
      2nd internaitonal Conference on advances in Materials Science and Technology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] IP6及び金属塩化物処理により作製したCa欠損CaSi2結晶の構造2017

    • Author(s)
      立岡浩一, 熊澤佑貴, 程 立雪, 袁 佩玲
    • Organizer
      「材料料シンポジウム」ワークショップ
  • [Presentation] Structural and Photoluminescence Properties of Si-based Nanosheet Bundles Rooted on Si Substrates2017

    • Author(s)
      P. Yuan, R. Tamaki, S. Kusazaki, N. Atsumi, Y. Saito, Y. Kumazawa, N. Ahsan, Y. Okada, H. Tatsuoka
    • Organizer
      2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フィチン酸水溶液及び金属塩化物処理によるSi基ナノシート束の作製2017

    • Author(s)
      立岡浩一, 袁佩玲
    • Organizer
      第30回シリサイド系半導体研究会
  • [Presentation] KFMを用いたSiの表面温度測定におけるトラップ電荷の影響2017

    • Author(s)
      岡晃人, 鈴木悠平, 川合健斗, マニ ナヴァニーザン, 立岡浩一, ファイズ サレ, 池田浩也
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] CaSi2結晶のIP6処理により作製したSi基ナノシート束のフォトルミネッセンス及び微細構造2017

    • Author(s)
      袁佩玲, 玉置亮, 程立雪, アーサン ナズムル, 岡田至崇, 立岡浩一
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Morphological and Crystalline Evolution of Si-Based Nanowires and Nanosheets2017

    • Author(s)
      Hirokazu Tatsuoka, Yuki Kumazawa, Shinya Kusazaki, Yuya Saito, Nanae Atsumi, Peiling Yuan
    • Organizer
      International Conference organized by Department of Physics and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ボールミリング法を用いた Si 系ナノシート束の作製とその構造評価2017

    • Author(s)
      渥美七虹, 佐々木謙太, 袁佩玲, 立岡浩一
    • Organizer
      第17回シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] FeCl2 蒸気中での Si 系ナノシートの作製2017

    • Author(s)
      草﨑真也, 齋藤優弥, 袁佩玲, 立岡浩一
    • Organizer
      第17回シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] NH4Cl 処理により作製した Si 系ナノシート束の構造評価2017

    • Author(s)
      齋藤優弥, 佐々木謙太, 熊澤佑貴, 草崎真也, 渥美七虹, 引地啓太, 袁佩玲, 立岡浩一
    • Organizer
      第17回シリサイド系半導体・夏の学校,p16
  • [Presentation] STRUCTURAL CHARACTERIZATION OF SI-BASED NANOWIRE AND NANOSHEET BUNDLES2017

    • Author(s)
      P. Yuan , K. Sasaki, M. Nakayama, Y. Kumazawa, K. Hikichi, H. Tatsuoka
    • Organizer
      NANOMEETING-2017
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Evolutionary Shape Modification of Semiconductor Nanostructures2017

    • Author(s)
      Yuan, P, Saito, Y, Kusazaki, S, Kumazawa Y, Atsumi N, Tatsuoka H
    • Organizer
      International Conference on Energy Materials and Nanotechnology (ICEM3-2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] Hiro Tatsuoka Lab., Shizuoka University

    • URL

      https://wwp.shizuoka.ac.jp/tatsuoka/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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