2014 Fiscal Year Research-status Report
一、二層のグラフェンシートがセラミックスに複合化した高効率熱電変換材料の創製
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26420672
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
干川 康人 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (90527839)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 複合材料・物性 / ナノ材料 / セラミックス / 電子・電気材料 / 構造・機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、グラフェンを一、二層だけ被覆した無機ナノ粒子を原料とすることで、グラフェンシートが無機母材にナノレベルで複合化したバルク材料の開発を行う。このような手法によりナノレベルで構造制御された複合材料を設計することで、高い導電性を持ち、かつ母材結晶のナノ化によるゼーベック係数を増加させ、更にフォノン散乱の増大による低い熱伝導率を持つバルク体の開発を行い、高い性能を示す熱電変換材料の創製を目指す。
本年度では、CVD法によるグラフェン数層分の炭素膜を被覆した無機ナノ粒子の合成について検討を行った。無機ナノ粒子をバルク化するには最低でも数グラム単位の原料粉末が必要になるが、実験室レベルのΦ50 mmの固定床のCVD炉を用いた方法では、均質な炭素被覆ができるのは1～2 gが限界であった。そこで、本研究では回転式CVD炉（ロータリーキルン）を用いることで10 g単位の炭素被覆無機ナノ粒子の調製を試みた。
市販の炭化タングステン(粒径180 nm)、ジルコニア(粒径50 nm)及びアルミナ(粒径10 nm)ナノ粒子に対して15 vol%のメタンガスを炭素源とした900 ℃のロータリーキルンCVD（2回転/分）を行った。TEM観察により結晶性の高い炭素膜が均質に被覆できていることを確認した。このグラフェン層の厚さはCVD時間により精密に制御ができ、例えば炭化タングステンでは1.5層/CVD時間で厚さを調製することが可能であった。また、タングステン酸を原料にして、アセトニトリルを炭素源としたロータリーキルンCVDを行うことで粒径10 nmの炭素被覆炭化タングステンナノ粒子の合成に成功した。これはCVD条件（温度, 時間, 原料濃度）を調整することで、炭素層の厚さを制御することも可能であることも確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
熱電材料のためのナノレベルで制御された炭素-無機ナノ複合体を構築するためには、まずバルク体形成のための原料となる、良質な炭素被覆無機ナノ粒子を大量に合成する必要があった。工業的な応用の観点からも、大量のナノ粉末に炭素被覆を行う方法としてはCVD法が適切であるが、無機ナノ粒子表面は種類により表面活性が異なるため容易ではない。従って、まず適切なCVD炭素被覆条件を探索し、炭素層の被覆を精密に制御するための方法を確立する必要があった。
本年度では、ロータリーキルン炉を用いたCVD法により、従来法の10倍以上の原料ナノ粒子粉末に対して、良質なナノ炭素膜を被覆でき、更に炭素層の厚さを精密に制御することにも成功した。このことにより、次の研究段階で進める予定であるグラフェン-無機ナノ複合バルク体の開発へ進めることが可能になった。更に、炭化タングステンナノ粒子に関しては、タングステン酸から直接合成することで10 nmもの小さな炭素被覆ナノ粒子を作製することもできるようになった。これにより市販の最小粒子サイズ(180 nm)よりも大幅に小さい原料粉末を得る方法が確立し、より小さなナノ結晶サイズを持った炭素-無機ナノ複合体の設計も可能になった。
以上により、当初の研究実施計画が達成されたのに加えて、追加の検討によって有用な成果が得られたことから、本年度の達成度としては区分(1)と判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度では、本年度で得られた炭素被覆無機ナノ粒子からバルク化を行い、熱電素子としての材料開発を進めていく。以下に項目で列挙する。
(1)通電加圧焼結法を用いた炭素被覆無機ナノ粒子のバルク化：ロータリーキルンCVDで合成された炭素被覆無機ナノ粒子原料粉末を、放電プラズマ焼結(SPS)装置を用いることでバルク化を行う。焼結後の炭素-無機ナノ複合構造を解析し、目的のナノ複合構造を得るための最適条件を、原料ナノ粒子の炭素構造、粒子サイズ、SPS条件（昇温速度、加圧条件、焼結温度）を詳しく検討することで探索していく。
(2)熱電性能の評価：バルク体のゼーベック係数、導電率、熱伝導率を測定することで熱電性能（性能指数ZT）を評価する。得られた結果に基づいて、熱電性能と(1)による構造制御との関係を詳しく検討し、その情報をフィードバックすることで(1)の最適なナノ構造設計を進めていく。
(3)無機ナノ構造の制御：ナノポーラスアルミナやメソポーラスシリカの細孔内に母材となる無機材料を充填することで、ナノ粒子を出発としない方法による無機ナノ構造の制御を検討、開発する。
以上の検討を進めることで、高い熱電性能を引き出す炭素-無機ナノ複合バルク体の創製を目指す。
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