2022 Fiscal Year Research-status Report
サイズ選択近接昇華プロセスの開発と高機能水分解光電極への応用
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21K19033
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
池田 茂 甲南大学, 理工学部, 教授 (40312417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野瀬 嘉太郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (00375106)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 昇華性半導体 / ナノ構造形成 / 光電極 / 水分解材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ケルビン式で表される毛細管内での気体の沸点が細孔外の沸点よりも低下することで生じる毛細管凝縮は、毛細管内の液体の表面張力から導かれる気相－液相間の平衡に適用される。一方、気相－固相間の平衡においても、毛細管内で昇華曲線の低圧側へのシフトは理論的に予測されている。本研究では、この昇華点降下現象を実験的に実証するとともに、この現象を活用することでナノ構造が制御された機能性材料・デバイスを開発することを目指す。ここでは、昇華性を有する化合物半導体である硫化スズ(II)（SnS）を、陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）のシリンダー型の規則性細孔内に選択充填させることで昇華点降下現象の原理を実証することを第一の研究目的とする。また、ほかの昇華性半導体（CdTeおよびZnTe）にも本手法を応用し、p型化合物半導体のナノ構造形成の新しい手法として確立する。さらに、得られるナノ構造を高機能水分解光カソードとして利用することを第二の目的とする。今年度は、第一の目的については均一に孔サイズが制御されたAPAMの形成を重点的に行った。その中で、細孔サイズ（直径）をサブミクロンサイズでサイズ均一に再現よく作製できるための実験条件を確立した。また、研究を実施している中で見出したフラックス処理によって単結晶化された酸化物半導体光触媒の高機能化（昨年度成果）についても研究を進め、ドーパント添加による表面形状の制御（表面にナノメートルサイズのステップが形成されること）とそれに起因して高効率な水分解反応が進行することを見出した。また、第二の目的の実証のため進めてきたp型化合物半導体薄膜による水分解水素発生について表面n型層の制御（ホモ接合形成、ドーパント添加等）による高効率化を達成した。
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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、気相－液相間の平衡に適用される毛細管凝縮が、気相－固相間の平衡においても昇華点降下現象として起こり得ることを、硫化スズ(II)（SnS）を、陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）の細孔内に選択充填させることで実証することを第一の研究目的としている。また、ほかの昇華性半導体（CdTeおよびZnTe）にも本手法が適用できれば、p型化合物半導体のナノ構造形成の新しい手法として利用でき、さらに、得られるナノ構造を高機能水分解光カソードとして利用できることを示すことを第二の目的とする。昇華性半導体の細孔充填現象の観察については、鋳型となる陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）のサイズ均一性制御に一定の目処がたち、また細孔充填の実験系の設計もほぼ完成していること、光カソードの実証研究については、p型半導体からなる光電極を高効率化するための効果的な表面修飾方法についてのユニークな成果が得られ、それが昇華性半導体からなるナノ構造光電極についても十分に適用できると考えられること、予測していなかった単結晶光触媒の高機能化に関する知見が得られたこと、これらの進捗と成果を総合的に見て、研究はおおむね順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの検討によって、陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）の細孔サイズを制御する手法が確立された一方で、SnSの成膜（昇華）実験についてはいくつかの条件を試みたが、期待された細孔充填構造は今のところ得られていない。昇華実験系の設計と作製は完成していることから、今後は、昇華原料の温度と基板（APAM）温度を制御することによって、細孔内への選択充填の実証を目指す。また、研究の途上発見した単結晶光触媒についてはドーピング効果を検証することで光活性化と可視光機能性を付与を達成することを目指す。p型化合物半導体の水素発生光電極への利用については、その一般的な課題として電極の安定性の解決が求められることから、そのための表面修飾手法の検討を進める。
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| Causes of Carryover |
陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）の細孔形成が当初の予想よりも速やかに進んだため、それに係る経費が全体的に少額となったこと、また、当初予定していた調査研究および学会発表等にかかる旅費がオンライン開催等への変更で不要となったた、次年度使用額が発生した。これについては、次年度の旅費および国際会議出席のための費用として活用する予定である。
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