2023 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of p-type semiconductor chimneys at seafloor based on microstructural analysis and thermoelectric characterization
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22K18723
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 義倫 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (30374995)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 海底熱水噴出孔 / 硫化物チムニー / 熱起電力 / 電気伝導度 / 累帯構造 / 伊豆・小笠原海域 / 熱電変換性能 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、伊豆・小笠原海域の明神礁カルデラ、および明神海丘から採取されたチムニーの微細組織観察および、熱起電力と電気伝導度の測定を行った。EPMAによる分析により、多くの若いチムニー試料は空隙率が高く(30-50%)、硫酸塩であるBariteや閃亜鉛鉱の微粒子から構成されていることがわかった。一方、成熟したチムニーは、空隙率が小さくなり、また、複数存在する熱水流通孔周辺に黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱などの緻密なレイヤーが形成されていた。
典型的な硫化物（黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱、閃亜鉛鉱など）の単一鉱物の電気特性を測定した結果、閃亜鉛鉱は熱起電力の指標であるゼーベック係数が>100mV/Kと大きいが、電気伝導度が絶縁体領域まで低いこと、また、一方で、方鉛鉱、黄鉄鉱、黄銅鉱はゼーベック係数は比較的小さいが、電気伝導度が高い、典型的な半導体であることがわかった。このため、海洋底の硫化物チムニーを測定すると、若いチムニーではゼーベック計数は大きくても、電気伝導度が低すぎるために、熱電変換効率は小さく、一方で、成熟したチムニーの内壁では電子をキャリアとするn型半導体として高い熱電変換効率を保つことがわかった。このことは、チムニーの一生におけるある特定の時期に、導体としての性質と、熱電変換機能を同時に発現させることがわかった。チムニー内外の温度差が200-300度であるとすると、その熱起電力は100-600mVにも達するために、還元的な熱水と酸化的な海水の電位差に匹敵する。このことは、地球内部の熱エネルギーが熱起電力として電気エネルギーに変換され、深海底の微生物群集に供給されている可能性を示唆する。
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