フラーレン類縁体の特異的熱電効果に関する計算化学的考察

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25888016
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 小島 広孝 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 特任助教 (70713634)
• Project Period (FY): 2013-08-30 – 2015-03-31
• Keywords: 分子動力学 / フラーレン / ゼーベック効果 / 熱電変換 / 廃熱利用 / 再生可能エネルギー

Outline of Annual Research Achievements

近年精力的に行われている熱電変換材料研究において、実用化を指向した材料開発を行うことが早急に求められる。これまでに行われた物質探索から見出された特異的な熱電特性を示すフラーレンについて、計算化学的手法を用いた原因解明と次世代材料設計へのフィードバックが本研究の主目的である。
平成26年度は、前年度に実験で得られたゼーベック効果の温度依存性から、構造的な変化が期待されたため、SPring-8でのGIXD測定を行ったが、当該する温度領域において明確な構造変化は観測できなかった。
そこで前年度に導入したGPGPU搭載Linuxマシンを用いて分子動力学計算パッケージGromacsによる計算を行い、分子シミュレーションによって分子運動の温度変化を考察した。結晶構造を基に作成した単結晶構造と、分子をランダムに包含した微結晶構造をそれぞれモデリングし、双方の挙動を比較した。得られた安定化構造に対して密度、定圧比熱、運動エネルギー、回転運動の自己相関関数などの物性値を概算した。各種解析により、微結晶構造では多くの空隙が生じていることがわかったが、より高密度の単結晶構造において回転運動の自己相関関数の素早い減衰が観測された。減衰の時定数をフィッティングにより求めたところ、微結晶構造では結晶ドメイン間に起因すると予測される大きな時定数が確認できた。これは空隙に対して分子が頻繁に重心移動していることを示しており、分子同士の衝突によって回転運動が散乱していることが示唆された。さらにグリーン・久保公式を基にした熱伝導率の算出を試み、結晶構造と熱伝導率との関連性を示す傾向が散見された。これにより、当初期待されたフラーレンの回転運動だけでなく、並進運動が熱物性に寄与している可能性が示された。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 分子動力学法による熱電変換材料の熱物性評価 (2014)
  • Author(s): 小島広孝，阿部竜，藤原史弥，伊藤光洋，橋爪拓也，松原亮介，中村雅一
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 114 Pages: 51-56
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhancement of Thermoelectric Properties of Carbon Nanotube Composites by Inserting Biomolecules at Nanotube Junctions (2014)
  • Author(s): M. Ito, N. Okamoto, R. Abe, H. Kojima, R. Matsubara, I. Yamashita, M. Nakamura
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 7 Pages: 065102
  • DOI: 10.7567/APEX.7.065102
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 巨大ゼーベック係数を示すフラーレンの回転運動と熱物性との相関性 (2015)
  • Author(s): 小島広孝，阿部竜，藤原史弥，伊藤光洋，橋爪拓也，松原亮介，中村雅一
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 温度変調に伴うキャリア伝導機構変化を利用した新奇有機熱電材料の探索(III)：巨大ゼーベック効果の特異性と普遍性 (2015)
  • Author(s): 阿部竜，藤原史弥，高橋功太郎，小島広孝，松原亮介，葛原大軌，山田容子，山本達也，薬師寺秀典，池田征明，中村雅一
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 巨大ゼーベック効果を発現する有機低分子熱電材料の探索：ヘリンボーン型パッキング構造を持つペンタセンの熱電効果 (2015)
  • Author(s): 藤原史弥，阿部竜，伊藤光洋，橋爪拓也，小島広孝，松原亮介，中村雅一
  • Organizer: 応用物理学会関西支部平成26年度第3回講演会
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（奈良県生駒市）
  • Year and Date: 2015-02-27
• [Presentation] Irregular Thermoelectric Behavior of C60 and Computational Elucidation of Its Origin (2014)
  • Author(s): H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, M. Ito, T. Hashizume, T. Oguri, M. Kikuchi, T. Watanabe, T. Koganezawa, R. Matsubara, N. Yoshimoto, M. Nakamura
  • Organizer: 2014 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston (USA)
  • Year and Date: 2014-11-29 – 2014-12-04
• [Presentation] Novel Organic Thermoelectric Materials Utilizing Temperature-Induced Alternation of Structure and Carrier Transport (2014)
  • Author(s): R. Abe, M. Ito, K. Takahashi, H. Kojima, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Nakamura
  • Organizer: 2014 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston (USA)
  • Year and Date: 2014-11-29 – 2014-12-04
• [Presentation] 分子動力学計算による熱電変換材料の熱物性評価 (2014)
  • Author(s): 小島広孝，阿部竜，藤原史弥，伊藤光洋，橋爪拓也，松原亮介，中村雅一
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] Experimental Evidences of Giant Seebeck Coefficients over 0.1 V/K in Organic Semiconductors (2014)
  • Author(s): R. Abe, K. Takahashi, M. Ito, H. Kojima, D. Kuzuhara, H. Yamada, R. Matsubara, and M. Nakamura
  • Organizer: KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP) 2014
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] 温度変調に伴うキャリア伝導機構変化を利用した新奇有機熱電材料の探索(II)：巨大ゼーベック効果は定常現象か? (2014)
  • Author(s): 阿部 竜，伊藤光洋，高橋功太郎，小島広孝，松原亮介，葛原大軌，山田容子，中村雅一
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Novel Design of Organic Thermoelectric Materials Utilizing Controlled Structural Transition: Benzoporphyrin Derivatives (2014)
  • Author(s): R. Abe, M. Ito, K. Takahashi, H. Kojima, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, M. Nakamura
  • Organizer: The 8th International Symposium on Organic Molecular Electronics (ISOME 2014)
  • Place of Presentation: 東京農工大学小金井キャンパス（東京都小金井市）
  • Year and Date: 2014-05-15 – 2014-05-16