Air-stable and water-resistant n-type organic thermoelectric materials using rational design of molecular-cationic dopant

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14428
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University (2023); Tokyo University of Science, Yamaguchi (2021-2022)
• Principal Investigator: Hata Shinichi 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 特任准教授 (20796271)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: カーボンナノチューブ / 界面活性剤 / 有機熱電材料 / n型半導体

Outline of Final Research Achievements

n-type organic semiconductors have been extensively studied over the past few decades, but face the challenges of relatively low charge carrier mobility and low stability to ambient air and water, as well as a lack of fabrication methods adaptable to industrial processes. These challenges have limited the development of the organic materials field. Therefore, this study aimed to develop molecular dopants to induce n-type properties in carbon nanotubes (CNTs), which have the ability to convert unused heat (below 150°C) released into the atmosphere into electricity. It was found that molecular wrapping of the nanotubes with specific surfactant molecules protects the carrier electrons and improves their stability and water resistance in the atmosphere.

Free Research Field

応用界面化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CNT上のカチオン性ドーパントマトリックス領域を拡大して空気・水/CNT 界面領域を大幅に縮小すると、安定した電子輸送特性がさらに向上する可能性があり、今後の研究で調査する必要がある。従来多くの研究では、有機溶媒中でCNTを金属イオン、アミン化合物、またはアンモニウム塩で処理することによってnドーピング処理が行われてきた。これと比較すると、本課題のドーパント処理は希薄な界面活性剤水溶液中で実行され、長寿命なn型CNTを調製できる。本課題では、幅広い環境温度・湿度環境にて動作するエネルギーハーベスティングおよびセンシング用途向けの高効率熱電モジュールを開発するための新しい研究が可能になる。