2018 Fiscal Year Annual Research Report
地球温暖化対策に革新をもたらす新規固体冷却技術の開発
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17H06239
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
野口 祐二 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (60293255)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / セラミックス / 格子欠陥 / 酸素空孔 / 分極 / 電気熱量効果 / 温度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，次世代の冷却機器に利用可能な固体冷却技術を開発し，革新的な地球温暖化 対策を我が国に提供することを目的とする．極性材料の分極機能に由来する電気熱量効果を利用することにより，高エネルギー効率かつ温室効果ガスを使用しない新規固体冷却技術を実現する．従来の代替フロンを使用したヒートポンプに対し，固体冷却は，次の二点で優れた特長を持つ．１．エネルギー効率が60-70%と高い，２．温室効果ガスを使用しない．本研究者の独自の成果である「電場誘起相転移」と「欠陥分極機能」を基盤として，理論計算（第一原理計算）と実験の有機的な連係により，分極性固体における電気熱量効果の増強を可能とする材料設計指針を確立する．固体冷却に影響を及ぼす決定因子を抽出し，原子スケール構造解析と電子状態計算を援用し，冷却理論の構築および冷却メカニズムの解明を行う．
昨年度までは，銅とマンガンがペロブスカイト型強誘電体のBサイトに置換すると，酸素空孔をトラップすること，アクセプタと酸素空孔から形成される欠陥ダイポールと自発分極が平行になる配列で系が安定化すること，欠陥ダイポールに由来する欠陥分極機能を利用した新規な電気熱量効果を誘起できることを見いだした．また，0.01Kの精度で電気熱量効果の直接測定を可能とする断熱温度測定システムを開発した．
今年度は，銅の価数を制御した欠陥複合体をもつセラミックス試料の電気熱量効果を評価した。昨年度に開発した高精度電気熱量効果測定系を用いて評価した結果，温度変化デルタTは電界（E）印加時にプラス0.5K，電界除去時にマイナス0.5Kのを観測した。このデルタTから見積もったFigure-Of-Merit (FOM=デルタT/E)は25mKcm/kVであった。このFOM値は，相転移温度付近で薄膜試料の報告値よりも一桁大きい。加えて，室温で測定された中では，世界最高のFOM値が得られた。
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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
固相法により遷移金属ドープチ強誘電体セラミックスを作製した。アニールおよびクエンチ処理により、酸素空孔濃度および遷移金属イオンの価数を凍結した。キュリー温度（TC）よりも低い80度で24時間保持（aging処理）し、酸素空孔の再配列を促進した後に，分極特性と電気熱量効果特性を評価した。
エージング処理する前のas-prepared試料は，強誘電体に特徴的な分極のシングルヒステリシスを示した。その残留分極値は8.8マイクロC/cm2，抗電界は1.8kV/cmであった。一方，80度で24時間エージングした試料は，反強誘電体に特徴的な分極のダブルヒステリシス（残量分極はゼロ）を示した。
シングルヒステリシスを示したas-prepared試料の温度変化デルタTは，電界印加時にプラス0.14K，電界除去時にマイナス0.12Kであった。ダブルヒステリシスを示したエージングした試料の温度変化デルタTは，電界印加時にプラス0.56K，電界除去時にマイナス0.53Kであった。これらの結果より以下の結論が得られた：強誘電体のエネルギー貯蔵・放出による温度変化に比べて，欠陥複合体を利用した新規電気熱量効果は，少なくとも0.4Kの温度変化が得られる事が明らかになった。このデルタTから見積もったFigure-Of-Merit (FOM=デルタT/E)は25mKcm/kVであった。このFOM値は，相転移温度付近で薄膜試料の報告値よりも一桁大きい。加えて，室温で測定された中では，世界最高のFOM値が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，分極性材料の「電場誘起相転移」と「欠陥分極機能」に由来する電気熱量効果を利用することにより，高エネルギー効率かつ温室効果ガスを使用しない新規固体冷却技術の実現を目指す．昨年度までは，分極のダブルヒステリシスを利用した電気熱量効果を評価した。具体的には，強誘電体セラミックスにおける分極が，ゼロからP1（分極の変化量はP1）に変化する際に発現する電気熱量効果を評価し，デルタT=プラスマイナス0.5K, FOM=25mKcm/kVを得た。
今後は，セラミックスのエージング条件を最適化することにより，分極の変化量として2P1（先の二倍の分極変化量）を示す試料を作製し，電気熱量効果の飛躍的な向上を目指す。具体的は，マイナスの電場を印加することにより試料を，マイナスP1状態にした後にエージング処理を行う。この結果，マイナスP1状態が欠陥複合体により安定化する。この試料に，プラスの電場を印加することにより，マイナスP1状態からプラスP1状態に変化し，結果として分極変化量が2P1になる。この試料の電気熱量効果を評価して，エージング条件が温度変化量に及ぼす影響を調査する。加えて，欠陥複合体の濃度が電気熱量効果に及ぼす影響も明らかにする。加えて，原子スケール構造解析と電子状態計算を援用し，冷却理論の構築・冷却メカニズムの解明を進める．また，冷却温度の直接測定と間接測定を別途行い，直接・間接同時測定系を実現するための課題を抽出し，その克服方法を検討する．
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