2020 Fiscal Year Annual Research Report
高純度単層カーボンナノチューブによるホッピング伝導系の熱電物性
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19J21142
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
一ノ瀬 遥太 東京都立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 単層カーボンナノチューブ / 熱電変換現象 / 一次元電子構造 / 電気二重層キャパシタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
温度差から電力を取り出すことができる熱電変換現象は、持続可能な社会を実現するために重要だ。近年、熱電材料を低次元化することによって、その性能を向上させる研究が注目されている。特に、一次元材料は電子構造内にファンホーブ特異点と呼ばれる状態密度が発散する特徴的な点が存在する。その点近傍に化学ポテンシャルを合わせることで、物質中最大の熱電変換性能を示すことが理論的に予想された。したがって、本研究では一次元モデルとして最適な単層カーボンナノチューブ（SWCNT）に着目し、実験的に一次元電子構造と熱電物性の関係を調べた。一般的に半導体材料は大きなゼーベック係数を持つため、半導体型SWNCTにおいてその一次元的な熱電物性が観測できるかが重要である。私たちの理論計算によって、従来の熱電パラメータであるゼーベック係数やパワーファクタは、半導体材料の次元が異なっても化学ポテンシャル依存性の振る舞いに明確な違いを見せないことが分かった。したがって、独立な物理量である熱電伝導率L12と呼ばれる熱電パラメータを新たに着目し、その化学ポテンシャル依存性を測定した。測定には、本研究において独創的な高純度な半導体型SWNCT薄膜を用意した。その結果、化学ポテンシャルをファンホーブ特異点近傍に合わせたとき、L12の鋭いピーク構造を観測した。理論計算との比較によって、この鋭いピーク構造は一次元電子構造に特有の振る舞いであることが分かった。柔軟で安全なSWCNT薄膜において、性能を向上させうる一次元性と熱電物性の関係を解明できたことは、応用利用への材料設計の指針を得られると期待される。
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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
新型コロナウイルスの影響によって、実験活動が制限された時期があったが、当初予定していた研究計画を概ね滞りなく遂行できたため、上記の進捗状況と判断した。まず、初年度に獲得した高純度かつ高配向なSWCNT薄膜の熱電物性を測定したところ、研究実績の概要に記したように一次元熱電物性を明確に観測することに成功した。これについては、アメリカ物理学会が刊行している雑誌に当該年度内に掲載するに至った。さらに、同研究成果を複数学会にて発表し、それぞれ受賞を獲得した。学術的な価値のみならず、発見の重要性を広い分野で周知できたと考えられる。さらに、昨年度からの課題であった温度依存性測定用の新規デバイス開発に成功し、再現良く測定ができる状況になった。本研究の目的であるホッピング伝導系の熱電物性の詳細を理解するためには、温度依存性を測定することが必要不可欠である。精密な化学ポテンシャル制御を行うことが本研究の独創的な点であり、重要な測定パラメータであるが、イオン液体が温度変化によって体積変化を起こし、デバイスを破損してしまうという課題が昨年度から存在した。そこで、体積変化の影響を小さくするために、イオン液体の使用量を減らす対処法を検討し、実行したところ、破損なく繰り返し測定が可能となった。加えて、温度依存性の測定に要する時間は多く、複数種類の試料を測定できていなかった。そこで、測定時間の短縮と、夜間や休日も測定を行えるように、全自動で測定を行うシステムを構築することに成功した。これによって、従来の測定と比較して、およそ３倍のペースで測定できるようになった。測定効率向上に非常に有効であることに加え、測定条件の再現性を担保するという重要な意義を持つ。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に構築した温度依存性測定システムを用いて、複数種類の高純度SWNCT薄膜の熱電物性を測定することで、本研究目的を達成することを目指す。当該年度においては、本研究の独創的なアプローチを用いて、SWCNT薄膜の熱電物性を一部解明することに成功した。さらに、界面の熱電物性を詳細に理解するために必須となる温度依存性測定が実験的に可能な状況となった。したがって、今後の研究ではこれらの技術をすべて組み合わせて、複数種類のSWNCT薄膜試料に対して熱電物性を測定し、ホッピング伝導系の詳細な熱電物性機構を解明する。現段階では、研究計画を遂行する上で大きな障壁はなく、計画通り研究を進める。
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