2019 Fiscal Year Annual Research Report
新規熱電変換材料創製に資する無機材料合成技術の開発
| Project/Area Number |
19H00833
|
|---|
| Research Institution | Waseda University |
|---|
Principal Investigator |
黒田 一幸 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90130872)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 孝雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (90354430)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | ナノ多孔体 / 熱電変換材料 / 金属酸化物 / 鋳型合成法 / 自己組織化 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
無機材料のナノ構造や構造内の空間の次元・形状・サイズなど熱電変換特性に影響を与えうるファクターと熱電特性の正確な相関を理解することは材料設計上非常に重要である。しかし、各ファクターの精密制御が困難であるため明確な理解は得られていない。そこで本研究では金属酸化物のナノ構造・空間を精密設計する合成技術を確立し、ゼーベック係数・熱伝導率・電気伝導率の独立制御を可能にすることで、ナノ構造と熱電特性の相関を厳密に明らかにすることを目指す。
本年度は構造が良く規定された鋳型を用いて金属酸化物ナノ構造材料の空隙率や空間のサイズ・配列等を精密に制御する方法の確立を推進した。粒径制御が容易なシリカナノ粒子を鋳型の前駆体として利用し、これらの配列・距離を制御しながら集積することで、ナノ空間が制御されたシリカ系構造体を作製した。これを鋳型として金属酸化物ナノ多孔体の細孔壁厚みや細孔径をシングルナノメートルスケールで精緻に設計し、フォノンを選択的に散乱する材料設計を試みた。また、二次元ビルディングブロックとして層状複水酸化物ナノ粒子の合成にも取り組んだ。
ナノ多孔体の熱電特性評価においては電気伝導率の高い物質を選択することが重要であり、本年度はAlドープZnOや酸化インジウムスズ（ITO）などの候補組成について検討を行った。その結果、シリカナノ粒子を鋳型に用いて、細孔構造を転写したZnO（Al未ドープ）、ITOナノ多孔体の合成に成功した。ITOナノ多孔体は放電プラズマ焼結を行い、熱電特性を評価した。通常、酸化物ナノ多孔体の細孔壁は微結晶から構成されるが、本研究では細孔壁が大きな結晶子からなる試料の合成に成功した。細孔壁が微結晶からなる試料と特性の比較を行った結果、熱伝導率は緻密体に比して非常に低い値を示しつつ、電気伝導率は向上することが確認された。本成果は熱電材料の設計指針に資する結果といえる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の目的であったZnO、ITOに関して、鋳型の細孔構造を反映したナノ多孔体の合成に成功している。なかでも、ITOナノ多孔体は細孔壁が微結晶からなる試料と大きな結晶からなる試料を作り分けることが可能となり、結晶粒界の多寡によって熱伝導率・電気伝導率が変化することが実験的に明らかになった。本成果は、多孔質熱電物質の設計において結晶子サイズも考慮すべきファクターであることを示すものであり、設計指針の確立に貢献する結果である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度合成に成功したシリカナノ粒子を鋳型としたZnOナノ多孔体にAlをドープすることで、n型熱電材料を得るとともに細孔径・細孔壁厚みを調整し、熱電変換特性を評価する。また、酸化物系の有望な候補材料である層状MxCoO2(M=Li,Na)からなるナノ多孔体は細孔構造の制御が著しく困難であるため、合成方法の確立を目指して検討を進める。
|
