2015 Fiscal Year Annual Research Report
Precise Synthesis of Inorganic Nanostructured Materials and Their Thermoelectric Properties
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26248060
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
黒田 一幸 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90130872)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 孝雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他研究員 (90354430)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | メソポーラス物質 / 熱電変換材料 / ナノ構造体 / 鋳型合成法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、熱電変換材料に資するナノ構造体の精密合成および特性評価によって、熱電変換材料におけるナノ構造化の性能向上効果を実証することである。本年度は、ナノ構造体の作製およびその熱電特性評価に焦点を絞り、研究を推進した。
1.結晶性骨格を有するビスマスナノワイヤの合成と熱電特性の評価
平成26年度の研究にて、熱電性能の向上が理論的に予測されている、直径10nm以下のビスマスナノワイヤの合成に成功した。そこで平成27年度は、直径と性能の相関を調査するために、平成26年度に確立した合成手法を用いて、直径10nm以下で精密な直径制御を試みた。鋳型として用いるメソポーラスシリカの細孔径を精密に制御することで、ビスマスナノワイヤの直径を6-9nmの範囲で精密に制御することに成功した。得られたビスマスナノワイヤの結晶性は低かったが、精密な直径制御に成功したことは、ナノサイズ化による熱電性能向上の効果を実証する上で、重要な成果である。
2.規則性細孔配列を有するメソポーラスニオブドープチタニアの熱電特性の評価
フォノンの選択的散乱の実現には、フォノンを散乱する細孔/細孔壁界面が規則的に配列した構造が有効であることが理論的に期待されている。平成27年度は、平成26年度に作製法を確立したメソポーラスチタニアの焼結条件の検討と熱電特性の調査を行った。焼結体を作製する際の温度や圧力を最適化することで、メソ細孔及びその規則性配列が焼結後も保持する条件を発見した。また、作製したメソポーラスチタニアの焼結体の熱伝導率は、無孔質チタニアの焼結体と比較して大幅に低減した。さらには熱伝導率の温度依存性が、無孔質チタニアとは異なっていた。これらのことは、規則的なメソ細孔が大幅な熱伝導率の低減に有用であることを示し、今後、高性能な熱電材料の作製に向けた設計指針となり得る重要な成果である。
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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
1.ビスマスナノワイヤの合成と熱電特性の評価
平成26年度の研究にて、熱電変換物質における、ナノ構造化による性能向上効果を実証するのに極めて有望な、直径10nm以下のビスマスナノワイヤの合成手法を確立した。そこで昨年度は、直径と性能の相関を調査するために、確立した合成方法をふまえて、鋳型として用いるメソポーラスシリカの細孔径を精密に制御することで、ビスマスナノワイヤの直径制御を行った。得られたビスマスナノワイヤの結晶性は低いものの、6-9nmの範囲での直径の精密制御に成功した。そのため、今後はビスマスナノワイヤの合成条件を検討し、結晶性を向上させることで、ナノワイヤの直径と熱電特性の相関を厳密に実証できると考えている。また、既に放電プラズマ焼結による、試料の成型にも成功している。このことから、ビスマスナノワイヤの結晶性向上が達成でき次第、熱電特性の評価に移行できるため、熱電特性の評価およびナノ構造化による性能向上効果の実証に向けて、順調に進行していると言える。
2.規則性細孔配列を有するメソポーラスチタニアの熱電特性の評価
昨年度は、規則性細孔配列を有するメソポーラスチタニアの焼結体を作製する際の温度や圧力条件を最適化することで、焼結後におけるメソ細孔及びその規則性配列の保持を達成した。さらに、作製したメソポーラスチタニアの焼結体の熱電特性の評価も行った。メソポーラスチタニアと無孔質チタニアの熱伝導率を比較したところ、メソ細孔の付与による熱伝導率の大幅な低減が確認された。また、熱伝導率の温度依存性は、フォノン伝熱由来のものとは異なる挙動を示した。これらのことは、メソポーラス構造が、熱電変換材料の高性能化に向け、有用な構造であることを示しつつある重要な結果である。従って、研究計画は概ね順調に進行していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.結晶性骨格を有するビスマスナノワイヤの合成と熱電特性の評価
ビスマスナノワイヤは、ナノサイズ化による大幅な熱電性能向上が見込まれているが、材料設計には直径などの構造と性能の相関調査が必須である。昨年度は、得られたビスマスナノワイヤの結晶性は低いものの、ビスマスナノワイヤの6-9nmの範囲での直径の精密制御に成功した。そこで平成28年度は、ナノサイズ化による量子閉じ込め効果および熱電性能向上の効果を実証すべくビスマスナノワイヤの結晶化を推進する。鋳型として用いるメソポーラスシリカの細孔内部にビスマスナノワイヤ作製後に加熱することで、結晶性ビスマスナノワイヤの合成を狙う。直径の精密制御の効果を明らかにするために、直径20-50nmレベルのナノワイヤも作製し、比較検討する。さらに、合成したナノワイヤの焼結条件の模索および熱電物性の測定を進める。
2.規則性細孔配列を有するメソポーラスニオブドープチタニアの熱電特性の評価
昨年度は、平成26年度に作製法を確立したメソポーラスチタニアの焼結条件を最適化し、熱電特性の調査を行った。その結果、メソ細孔の付与による熱伝導率の大幅な低減が確認された。また、熱伝導率の温度依存性は、フォノン伝熱由来のものとは異なる挙動を示した。しかし、チタニアは電気伝導率が低く、電気伝導率およびゼーベック係数の測定が困難であった。そこで、平成28年度は、電気伝導率の向上に向けて、ニオブをドープしたメソポーラスチタニアでの熱電物性の測定を推進する。また、メソ細孔の周期構造・形状に対する影響を調査するため、メソポーラスニオブドープチタニアのメソ細孔の周期構造・形状制御も同時に進める。
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| Remarks |
黒田・下嶋・和田研究室
http://www.waseda.jp/sem-kuroda_lab/
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