2019 Fiscal Year Annual Research Report
先進プラズマ活用1次元ナノカーボン材料の完全原子配列制御合成と革新的応用開拓
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19H00664
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
加藤 俊顕 東北大学, 工学研究科, 准教授 (20502082)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大塚 朋廣 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (50588019)
澁田 靖 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90401124)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズマCVD / カーボンナノチューブ / グラフェンナノリボン / 原子構造制御合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究四年計画の初年度にあたる今年度は、１次元ナノカーボン材料の原子レベル構造制御合成と応用に向けた研究を行い以下の成果を得た。
第一に、カーボンナノチューブのカイラリティ制御合成に向け、その場観測プラズマCVD装置を立上げた。これにより、ナノチューブ合成時におけるプラズマ活性種を四重極質量分析器で、またプラズマ発光因子を発光分光分析器でそれぞれリアルタイムにモニター可能となった。これにより、プラズマ条件と合成されたカーボンナノチューブカイラリティの相関を次年度以降に明らかにする。
第二に、グラフェンナノリボンの量子物性計測に向け、研究分担者と協力し極低温強磁場環境下での電気伝導特性評価システムを構築した。本システムで次年度以降グラフェンナノリボンの詳細な量子物性計測を行う。
第三に、ナノカーボン成長機構解明に向け、研究分担者と協力し分子動力学シミュレーションによるカーボンナノチューブの成長のモデル化に関するシステム構築を行った。本誌システムにより次年度以降カーボンナノチューブのカイラリティ選択性とプラズマの効果に関して詳細な検討を行う予定である。
第四に、１次元ナノカーボン材料の熱電計測が可能なシステムの構築を行った。さらに本システムでグラフェンナノリボンを対象とした詳細な熱電計測を行った結果、本手法で合成した架橋グラフェンナノリボンが極めて優れた熱電材料であることが判明した。
第五に、1次元ナノカーボン材料と類似の原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイドに関して、成長状態を可視化するその場観測合成に世界で初めて成功した。また、これにより、特異な核発生機構を明らかとした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究四年計画の初年度に当たる今年度は、１次元ナノカーボンの構造制御合成に向けた新規合成システム、量子物性評価に向けた極低温強磁場環境下での電気伝導計測システム、詳細な熱電計測システム、さらには分子動力学シミュレーションシステム等の研究基盤の構築を予定していた。実際これ等のシステムの立ち上げを完了し、次年度以降で本格稼働できる準備が整っている。
さらに、上記システム構築に加えいくつかの特筆すべき実験結果も得られた。熱電計測においては、１次元ナノカーボン材料であるグラフェンナノリボンに対する物性計測を実際に行い、本プロジェクトの特徴である先進プラズマプロセスにより合成した架橋グラフェンナノリボンが極めて優れた熱電材料であることを実証した。また、類似の原子層物質である遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）に関しても研究展開を広げ、TMD成長に関するその場観測CVD装置を世界で初めて開発し、本装置によりこれまで未解明であった特異な核発生機構を明らかにした。さらにこれら二つの成果は国際一流雑誌への掲載にも至っている。
以上の理由により、当初予定の実験設備構築に加え、二つの特筆すべき研究成果の取得、及び成果発表にまで至ったことから、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究四年計画の二年目以降にあたる今後の研究では、初年度に確立したその場観測プラズマCVD装置を活用し、１次元ナノカーボン材料の原子レベルでの構造制御合成を実現する。また、合成機構解明にも取り組み、実験結果と分子動力学シミュレーションとの相互連携により、原子構造決定におけるプラズマ効果の解明を行う。
応用開拓に関しては、初年度に構築した極低温強磁場電気伝導特性評価システムを活用し、本手法で合成した特徴的なグラフェンナノリボンの量子物性評価を行う。また、熱電計測に関しては、既に測定が進んでいるグラフェンナノリボンに加え、カーボンナノチューブに対しても詳細な熱電特性計測を行い、本手法で合成した原子構造制御ナノ材料の応用展開の可能性を探求する予定である。
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