2021 Fiscal Year Annual Research Report
炭素－金属酸化物ナノクラスター集積固体の創製と高性能熱電材料への応用
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20H02463
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
中谷 真人 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (30725156)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 環境発電 / エネルギーリサイクル / ゼーベック効果 / フラーレン / 金属酸化物 / ナノクラスター材料 / フレキシブルエレクトロニクス / マイクロスケール計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
C60薄膜は、既往材料に比べ、室温付近で数100倍のゼーベック係数S（巨大熱電効果）を示すなど次世代熱電材料の候補であるものの、導電率σが極めて小さく電力を上手く取り出せないことやN型／P型特性の制御が困難であることが弱点である。本研究の目的は、σとSが共に優れた値を示す新材料群として、C60と金属酸化物ナノクラスター（MOx）から新奇複合薄膜を創製するための指導原理を確立することである。
2021年度は、金属酸化物としてVI価の酸化モリブデン（MoO3）をC60と真空共蒸着することで(MoO3)n・C60複合膜を作製し、熱電特性、光吸収特性、分子スケール構造を評価した。2020年度には下記の①および②が主な成果として得られた。①供給比n（MoO3/C60）、0＜n＜0.03の条件で複合膜を作製すると大きな|S|= 31 mV/Kを保持しながらσが増加することで出力因子が1000倍まで向上する。②n＞0.03では、σは向上するがSの急激な減少が起きる。この原因を探るために、2021年度は各組成比の複合膜に対して光吸収特性を調べたところ、n＝0.03の(MoO3)n・C60複合膜はC60薄膜とほぼ同一の吸収特性を示すことが分かった。特に光学吸収端が同じであることから、エネルギーギャップの減少等は起きていないと考えられる。一方、n＝4.6の複合膜では、光学吸収端の長波長シフトが起きており、C60薄膜と比べて電子構造が変化していることが分かった。即ち、正孔ドープに対してC60薄膜の電子構造が保持されることは(MoO3)n・C60複合膜（0＜n＜0.03）の大きなSと深く関連する事を示唆する。さらに、(MoO3)nからC60薄膜へドープされた正孔は(MoO3)n周辺に局在化することも明らかになっており、このような電荷局在と巨大S発現との関連についても考察を行った。
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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
本研究では、C60と金属酸化物（MOx）を複合化させたC60・(MOx)薄膜を創製し、導電率σとゼーベック係数Sが共に優れた値を示す新規な高性能熱電材料へ応用することを目指している。2021年度は、酸化モリブデン（MoO3）とC60からなる複合膜［(MoO3)n・C60］において、大きなS値（31 mV/K）を保持しながらσの増加する組成領域（0＜n＜0.03）について調べたところ、C60薄膜の電子構造を保持しつつ電荷(正孔)ドープされることが出力因子の著しい向上（Sを保持しつつσの向上）に寄与することが示唆された。また、(MoO3)nナノクラスターからC60薄膜への正孔ドープは局所的であることが示され、大きなSとの関連を考察する上で大変興味深い知見が得られた。以上の知見は、これまで未解明である巨大熱電効果のメカニズム解明および制御方法（巨大S値を保持しつつσを向上させる方法）を確立する上で大変重要な結果であると考えられる。以上から本年度は、当初の研究計画と照らし合わせて良好な進捗が得られたものと考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、(MoO3)n・C60複合膜（0＜n＜0.03）が大きなS値を示す機構をより詳しく定量的に明らかにするために、nに対する電子構造の変化や正孔ドープ量、正孔空間分布などの変化を光電子分光法および走査トンネル顕微法／分光法によってより系統的に詳しく調べ、S値の変化と比較検討する。さらにこの結果を基に、巨大熱電効果の発現機構と制御法（巨大S値を保持しつつσを向上させる方法）の解明を目指す。
また、(MoO3)n・C60複合膜はP型熱電材料として振舞うことが既に明らかになっているが、優れた熱電変換特性を示す熱電素子を実現するためには、(MoO3)n・C60複合膜と同程度の|S|およびσを示すN型熱電材料を創製しπ型素子構造を構築する必要がある。この目的から、C60薄膜よりも小さな仕事関数をもつ酸化鉄（FeOおよびFe2O3）とC60からなる複合膜を作製し、N型特性を示す熱電薄膜の実現を目指す。これまで、電子線蒸着装置を用いた酸化鉄蒸着に関する予備実験（昇華条件の探索など）はほぼ完了しているので、2022年度は、(FeO)n・C60複合膜の作製および評価（S、σ、電子構造、電荷分布、分子スケール構造）を本格化する。
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Research Products
(8 results)
