2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of thermoelectric performance by two-dimensional organic polymer and novel evaluation technology
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18J21726
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山口 信義 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 配向膜 / 熱伝導率測定 / 金属有機構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 金属細線をヒーター及びプローブとして用いる３ω法を用いることで有機薄膜の面内熱伝導率測定手法を確立した。予め細線をパターニングした熱抵抗の高いクオーツ基板へ絶縁のための100 nmアルミナを成膜したものを測定デバイスとして作成した。この上へモデルサンプルとしてPolymethyl methacrylate (PMMA, ~200 nm)薄膜をスピンコートによって作成し、熱伝導率測定を行った。まず、面直熱伝導率測定のため、PMMA薄膜上に蒸着によって100 nm程度のアルミ膜を生成（アルミ膜の熱伝導率は別途測定）し、50 um幅の金属細線を用いて測定を行った。これにより、面内方向の熱伝導率に対する感度を下げ、面直熱伝導率のみ高感度で測定することに成功した。続いて、アルミ膜を載せずに1 um幅の細線を用いることで面内熱伝導率の計測を行った。この時、面直・面内熱伝導率に対する感度は同程度であり、面直熱伝導率はすでに測定していることから面内熱伝導率に対してのみ選択的に高感度測定を行うことが可能となった。PMMAの面直・面内熱伝導率はそれぞれ0.25 W/mK、1.06 W/mKとなり、既報と同程度の値であることが確認された。本成果について論文投稿準備中である。
2. 作成した熱伝導率測定デバイスにより金属有機構造体（MOF）の配向膜について測定を行なった。面直方向では0.1 W/mK、面内方向では0.5 W/mKとなり、５程度の異方性を持つことが確認された。また、MOFへ水を吸着させたところ、面直方向においてのみ熱伝導率の上昇が確認された。分子動力学法を用いたフォノン状態密度を計算したところ、水自体の持つフォノンにより新たな熱伝導パスが生じたことが明らかとなった。
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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
第一の目標であった有機薄膜熱伝導率測定法を確立し、その妥当性の検証まで行うことができた。続いて第二の目標であった構造体材料の配向膜についても、実際に異方的な熱伝導率の測定を行うことができた。また、当初予期されていなかった、構造体への小分子（水）の導入により熱伝導率が向上するという結果も得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度においては、金属有機構造体（MOF）の配向膜について、水を吸着させた際に熱伝導率が向上する現象が確認された。本年度はこの現象が他のエタノールやメタンなどの小分子を吸着させた際にも生じるのかについて調査を行う。気体を封入するためのチャンバーへCu-TCPPを載せた測定デバイスを入れ、そこへ圧力を変えながら気体を導入することで吸着させた際の熱伝導率変化を測定する。 また、得られた結果について非平衡分子動力学計算による解析を行う。まずは吸着させた気体数を増やしながら熱伝導率の計算を行い、実験と 同様の示すかを確認する。その後、Cu-TCPPのフォノン状態密度を計算し、熱伝導率の変化を与えた要因について同定を行う。
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