2018 Fiscal Year Annual Research Report
内包分子による単一カーボンナノチューブの熱物性変調現象の解明とバルク材料への応用
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18H01377
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
児玉 高志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (10548522)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 拓麿 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10730088)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノスケール伝熱 / カーボンナノチューブ / ナノ・マイクロ加工 / 熱電変換材料 / 熱拡散材料 / 分子内包効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請研究では、様々な材料の内包によるカーボンナノチューブ(Carbon nanotube, CNT)の熱電変換能の変調メカニズムを単一チューブ、単一バンドルレベルで実験により明らかにしてCNTの熱物性を内包物質で柔軟に制御するための基本ルールを分子シミュレーションとの融合により構築すること、およびそれらのバルク構造体の電気・熱伝導性を評価することでバルク体への波及効果の検証とCNT熱デバイスの性能向上を目標として研究を遂行している。1年目は当初の計画通り、低温から常温近辺まで四端子法による熱電性能評価が可能な自作電気計測システムの構築が完了し、ナノスケール熱電性能評価デバイスの製作に関しては、接触熱抵抗の除去が可能な四端子熱電性能評価デバイスは、当初予定していた犠牲材料埋め込み基板を利用しなくても比較的容易な加工手順で製作可能であることが研究の過程で明らかとなったため微細加工プロセスの修正を行い、所属機関である東京大学と物質・材料研究機構の共用施設を利用したナノスケール熱電性能評価デバイスの製作プロセスを確立させることに成功した。そしてこの加工プロセスを利用して、単層CNT, 二層CNTの単一チューブ、バンドルレベルの電気伝導率やsp3系炭素分子の内包によるCNTの物性変化などを新たに実証することに成功した。さらに並行してホットワイヤ法を元にしたCNTバルク構造体の面内方向の熱伝導率評価法の開発も行い、実際に同手法を用いて真空ろ過法により準備されたCNT水平配向膜の面内熱伝導率の計測に世界で初めて成功した他、CNTランダムネットワークやCNTファイバなど様々な形態のCNTの熱伝導性とその温度依存性の評価を行った。
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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
本研究助成を利用して16本以上の電気配線の導出が可能で低温から常温近辺まで測定が可能な自作電気計測システムの構築が当初の計画通り完了したことや研究計画に修正はあったものの初年度内に新たな微細加工手順を考案してナノスケール熱電性能評価デバイスの加工プロセスの確立に成功したこと、CNTバルク体の熱電性能評価技術を開発して実際に水平配向膜の熱伝導性の評価することができたことに関しては当初の予想以上に順調に研究が進んでいると考えられるが、一方でナノスケールの熱電性能評価に関しては微細加工プロセスの修正を行ったことから少し遅れが生じたため、おおむね順調に進んでいると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目は初年度に構築したリソースと得られた知見を積極的に活用して、引き続き四端子熱電性能評価デバイスを用いた単一チューブ、単一バンドルレベルのナノスケール計測とバルク構造体の熱電性能評価を並行して行い、分子シミュレーションとの融合による学理構築を進めていく計画である。実験で用いるナノスケール四端子熱電性能評価デバイスは、研究計画を修正して以下の手順で製作する予定である。まず二酸化ケイ素膜を成長させたシリコン基板上にアライメントマークなどの大きな金属構造をフォトリソグラフィにより準備して開始材料として用いる。その開始材料上に試料の分散液をスピンコートしてターゲット試料の相対座標や直径を走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡で特定した後、熱電性能評価に用いるナノスケールの電極構造を電子線描画と電子線蒸着によって準備する。その後、ターゲット試料上に保護膜の描画と測定デバイスのサスペンション領域をそれぞれ電子線描画した後、二フッ化キセノンガス、酸素プラズマ、気相フッ酸プロセスによってサスペンション熱電性能評価デバイスを製作する予定である。実験試料としては初年度に明らかになったsp3系炭素原子の内包による熱電性能変調効果やバンドル化による伝導性の変化についてさらに詳細に明らかにする他、新たな研究材料として新たに合成された重原子ナノワイヤ内包CNTの熱電性能の変調効果に関して実験を行う予定である。そして得られた実験結果に関して研究分担者と協力して分子シミュレーションによる理論解析を行う予定である。
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