2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of synthesis techniques to create a variety of compound nanosheet bundles and their applications to energy devices
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20K04560
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
立岡 浩一 静岡大学, 工学部, 教授 (40197380)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | シリサイド / 14族元素 / ナノシート / 化学気相成長法 / トポケミカル反応 / ナノ構造制御 / 熱電素子 / 発光素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ナノシートの積層構造からなるナノシート束を作製し，さらにそのモルフォロジー及び構造制御を行い，様々な化合物からなる新規のナノシート束を作製するプロセスを開発する事を目的とする．すなわち既存のナノシート束に異種元素を添加し，新規な化合物ナノシート束，層状物質を創造する．層状構造を有するCaSi2よりCa原子を引き抜き抜くとともに異種原子を添加し，化合物（ここではシリサイド）のナノシート束を作製する．
１年目には，ナノシート束のモルフォロジー，組成・結晶構造を造り分ける制御プロセス確立のため以下のナノシート束の作製を行った．気相中MgCl2/Mg雰囲下にてCaSi2粉末を熱処理する事によりMg分布が均一な粉末状のMg2Siナノシート束を得た．またSi基板上に成長させたMg2Siナノシート束ではナノシート束の内部にさらに超格子構造が生成されていた．このナノシート束のPLスペクトルは 2.0eVあたりにバルクMg2Siには見られない発光ピークが見られ，またラマン分光法によりラマンピークが低波数側にシフトする事が見られた．一方MgCl2溶融塩Mg液相中にてMg2Siナノシート束を作製する事により高導電性のナノシート束が得られた．Mg2Si1-xGexナノシート束を気相成長にて作製した．この混晶のGeの組成比は熱処理時のGeの添加比で制御できる事が分かった．MnCl2溶融塩中にてCaSi2粉末を熱処理する事によりMnSi1.7ナノシート束を作製した．本研究で確立した溶融塩を用いた液相中での結晶成長法は新たなモルフォロジー，微細構造を有するシリサイド化合物を得る新しい材料作製方法として期待できる．
さらにMg2SiO4ナノシート束を作製しカソードルミネッセンスを測定した．この粉末から5 eV以上のエネルギー領域にてCL発光ピークがみられた．紫外発光材料として期待できる．
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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
CaSi2を出発材料して用い複数のシリサイドナノシート束，シリケートナノシート束を作製した．ナノシート束はナノシートが蜜に積層し束となった形態をいう．Mg2Si, Mg2Si1-xGexナノシート束及びMnSi1.7ナノシート束については現在，物性の評価と特性改善のための構造改変の段階にはいっている．Mg2Siナノシート束の作製に関してはCaSi2と反応させる原材料のMgCl2にMgを加えMg2Siナノシート束を作製した．得られたMg2Siナノシートの電気伝導率は低くかった．一方でMgCl2溶融塩Mg液相を用いた液相成長法により高導電率Mg2Siを得た．この液相成長法で得られたMg2Siの微細構造，電気伝導特性及び光学物性を調査中である．現在低融点不純物を添加した溶融塩にて熱処理を施す事によりMg2Siへの不純物添加を試みている．Mg2Si1-xGexナノシート束については，組成比xの異なるナノシート束の微細構造およびフォノン物性を測定中である．MnSi1.7ナノシート束については，MnCl2溶融塩を用いて作製する事により，初めて粒内で一様なMnSi1.7ナノシート束の作製が可能となった．溶融塩としてMnCl2に異種の塩化物を添加する事により優先して生成する相を調べた．現在，MnSi1.7ナノシート束の微細構造，電気特性を測定中である．Mg2SiO4ナノシート束については，高エネルギー領域において発光が得られ，引き続き発光の起源を調査中である．
また新しく鉄シリサイドナノシート束の作製を始めている．NaCl-KCl及びFeCl2 或いはFe金属を用いた溶融塩法を用いて鉄シリサイドを作製し，Fe3Si, FeSi, a-FeSi2, b-FeSi2が生成する熱処理条件を探索している．CrSi2等他のシリサイドナノシート束，CaF2他のナノシート束の作製は準備段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
Mg2Si, Mg2Si1-xGexナノシート束及びMnSi1.7ナノシート束については引き続き物性の評価と特性改善のための構造改変を続けていく．Mg2Siナノシート束についてはMg過剰添加と不純物添加を併用しキャリア密度制御を行う．またナノシート表面を改質しシート間の導通を促進させる．MgCl2溶融塩Mg液相を用いて成長したMg2Siナノシート束の微細構造，電気伝導特性及び光学物性を明らかにする．Mg2Si1-xGexナノシート束については，その微細構造およびフォノン物性の組成比x依存性を明らかにする．MnSi1.7ナノシート束については，MnCl2溶融塩に添加物として用いる元素或いはその塩化物を添加する事によりMnSi1.7への不純物添加を試みる．鉄シリサイドの作製において，複数ある相の造り分け技術を確立する．CrSi2等他のシリサイドナノシート束，Ge他14族元素を含む化合物ナノシート束の作製を行う．
新しく開発した溶融塩及び低融点金属を用いた熱処理による試料作製方法は，新しいナノ構造作製方法として期待できる．従来の気相でのナノシート束作製方法とあわせナノシートに異種原子を添加する事により多様なナノシートを創生し，ナノシート束の形態，形状を造り分け表面状態，電子状態を制御する方法を確立する． 現在，これらナノシート束は，大きさ数～数十マイクロメートルの粉末であるがそれらを効率よくアセンブルし，数ミリメートルの大きさにする技術を確立する．ナノシート束の諸物性を検証し，ナノシートそれぞれの構造，ナノシート束のモルフォロジーが諸物性に与える影響を明らかにする．作製したナノシート束の塊（バルク）を熱電発電に応用し，熱電変換効率を評価する．
Mg2SiO4ナノシート束に加え，CaF2ナノシート束及び他のナノシート束を作製し，紫外域での発光特性と微細構造との関係を明らかにする．
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