Exploration of p-type semiconductor chimneys at seafloor based on microstructural analysis and thermoelectric characterization

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K18723
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Okamoto Atsushi 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 義倫 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (30374995)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 硫化物チムニー / 熱起電力 / 累帯構造 / 海底熱水噴出孔 / 半導体 / 熱電変換性能 / 伊豆・小笠原海域

Outline of Final Research Achievements

Submarine hydrothermal vents mix hot, reducing hydrothermal fluids with cold, oxidizing seawater to form chimneys composed of sulfates and sulfides. Sulfides are semiconductors and have thermoelectric conversion performance, converting heat to electricity, but no studies have investigated submarine sulfide chimneys. In this study, electrical conductivity and thermal electromotive force were measured for chimneys collected from the Izu-Ogasawara region. As a result, the initial stage of chimney formation is composed of sulfate and ZnS, which has low electrical conductivity, and thermoelectric conversion does not function. As the chimney grows and matures, PbS, CuFeS2, FeS2, etc., which exhibit high electrical conductivity and thermal electromotive force, form around the distribution holes and release electrical energy to the deep-sea floor environment.

Free Research Field

岩石学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

太陽光の届かない深海底において、熱水噴出孔は生命圏への重要なエネルギー供給システムとして注目されている。これまでの研究は、主に熱水と海水の酸化還元状態の違いに注目されてきたが、本研究では、硫化物チムニーが持つ、熱を電気に変換する熱電変換が、エネルギー供給に大きな役割を果たすことを初めて示している。また、硫化物の導電体としての性質や熱電変換性能は定常的に存在するものではなく、チムニーの構造発達に伴い、ある特定の時期に自己組織化により発現することを示した点も高い独自性がある。本研究で示唆された硫化物チムニーは、新たな熱電材料、深海底でのエネルギー利用にとっても大きな可能性を秘めていると考えられる。