2019 Fiscal Year Research-status Report
近接場界面における金属ー絶縁体相転移現象の解明と熱スイッチへの展開
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18K13699
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
上野 藍 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50647211)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 金属ー絶縁体相転移 / 蓄熱 / 比熱 / 熱伝導率 / 全半球放射率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目的は，遷移金属酸化物の金属－絶縁体相転移時の物性変化により，電力不要で熱移動量を制御可能なパッシブな熱スイッチを創出することである．
2019年度は，研究を遂行していく中で，当初の研究予定の一部を変更して実施している．具体的には，本研究で取扱う金属－絶縁体相転移材料の熱ふく射特性に寄与する熱物性値である放射率のみに着目するのではなく，熱伝導率変化やその蓄熱性能にも着目し，多機能的なパッシブなデバイスの創出を目指す．しかし，一例として熱伝導率の変化であっても先行研究の報告例は様々であり，かつ各種の熱物性値に対し，同一の試料での測定結果はほとんどない．したがって，本研究では信頼できるデータとして自作のバルク材を作製し，熱物性値を測定し，それらの熱物性値を応用して，新規の熱制御デバイスの創出を目指す．そこで，2019年度は，以下の内容を実施した．
①VO2,VWO2のバルク作製手法の確立
大きな熱物性変化をもつ金属－絶縁体相転移材料として，VO2に着目して，放電プラズマ焼結法（SPS法）を採用することで，バルク作製手法を確立した．しかし，VO2では相転移温度が68℃付近となり熱制御デバイスへの応用には転移温度が高いため，W（タングステン）をドープするこで転移温度を下げる試みを実施し，転移温度が20℃以下の緻密なVWO2バルクの作製に成功した．
②作製した試料の材料特性評価および蓄熱量の測定を実施した．
上記①で焼結体の作製が困難とされるWをドープしたVWO2の自作のバルク材に対し，材料評価としてXRD分析および相対密度の算出を行った．さらに，VO2がもつ大きな蓄熱量がVWO2の場合にはどの程度変化するかを明らかにした．
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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
2018年7月～10月まで産休育休を取得しており，一部，研究計画の変更が生じている．2019年度は，金属－絶縁体転移材料の中でも放射率変化のみならず，大きな比熱の変化に起因して比較的大きな蓄熱量を有し，熱伝導率変化も有するVO2とVWO2に着目した．先述した通り，2019年度は①VO2,VWO2のバルク作製手法の確立をメインに行い，②作製した試料の材料特性評価および蓄熱量の測定を実施した．
①については，放電プラズマ焼結法（SPS法）を採用した．SPS法では，真空中で圧力と加熱を行いながら焼結することで，一般的に焼結が難しいとされるW(タングステン)ドープした材料の焼結にも成功した．具体的には，ドープ量の選定と圧力，焼結温度，および焼結時の保持時間の条件出しを行い，最終的には，自作のバルク作製（焼結温度850℃）で相対密度87.9%，学外の装置を利用して焼結温度1325℃での焼結体に対し，95.9%までの緻密なバルク作製が可能となった．さらに，放射率測定などを想定し，焼結体の表面の表面研磨方法も検討した．
②については，作製した試料の材料特性評価として，作製したバルク材に対し，XRD測定を実施し，焼結前のVWO2粉末とピークが良好な一致を示した．また，物性値測定の一部として，作製したバルク材で比熱測定を実施し，学外および自作で作製したバルク材に対し，蓄熱量がそれぞれ22.0 J/gと22.4 J/gということを明らかにした．
以上の通り，本研究で最も時間を要するとされるVWO2バルク材の作製手法を確立することで，未解明であったVWO2材料の熱物性値の測定が可能となり，それらの知見を応用した新規熱輸送デバイスへの基礎を盤石なものとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究予定を以下に示す．先述した通り，本研究を遂行していく中で，当初の研究予定の一部を変更して実施している．具体的には，本研究で取扱う金属－絶縁体相転移材料の熱ふく射特性に寄与する熱物性値である放射率のみに着目するのではなく，熱伝導率変化やその蓄熱性能にも着目し，多機能的なパッシブなデバイス創出を目指す．
【項目①：自作のVWO2などの熱物性測定】
本研究で着目している金属－絶縁体相転移を示す材料を自作し，その熱物性値（熱伝導率，比熱および蓄熱量，放射率）を測定する．特に，VWO2は比較的焼結が難しい材料であるため，熱物性値の先行研究事例がほとんど無く，本研究での測定意義は大きい．
【項目②：新規熱制御デバイスの提案】
先に示した自作試料による熱物性計測の結果を踏まえて，各種材料の特性を活かし，材料の相転移を利用した多機能的熱制御デバイスの設計指針を獲得し，新規のデバイス提案を行う．さらに，当初の予定していた近接場効果も踏まえて，熱スイッチなどへの応用についても検討する．
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| Causes of Carryover |
2019年度に研究予定の一部を変更して実施したため，次年度の使用額が生じている．2020年度も引き続き，実験を行う予定であり，2019年度の繰越金の使途は2019度に予定していた実験物品購入等に充てる予定である．
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