Development of multiple thermodynamic measurements using imaging techniques
| Project/Area Number |
19K22169
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中澤 康浩 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60222163)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 熱容量測定 / 赤外線イメージング / 熱力学量 / 分子性化合物 / イメージング |
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| Outline of Research at the Start |
非接触な温度計測と極微空間での温度マッピングが可能な、赤外線イメージング法と従来型の熱的測定法の利点を組み合わせ、10-100μg程度の極微単結晶一個を用いて、従来型の断熱法、緩和法と同程度の感度をもつ極微量熱容量測定を実現する。さらに、温度分布、温度勾配を非接触で検出することで、熱伝導や熱起電力との同時測定、電場、電流等の外場印加下での各種熱的計測の達成を目指す。複雑な組成をもつ分子の複合成分系である電荷移動塩の各種の新材料、ナノ構造体の単結晶を使って、エントロピー、エンタルピーの絶対値を伴う議論を可能にし、物性科学に新しい展開を開く。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、赤外線イメージング法を使って、分子性物質の微小単結晶の熱容量測定、熱伝導、熱起電力などの総合的な熱測定開発を行うことを目的としている。分子性化合物の複合成分系の結晶のように、溶液から析出させるため試料のサイズや形状の制御が難しく、大型結晶の作成が出来ない物質を対象に、従来型の熱容量測定の利点と非接触温度計測法のもつ利点を組み合わせ、200 Kから室温以上の中低温域で熱力学的な測定を新たな視点から進めることを目指した開発研究を行う。
令和2年度は、前年度に続き、イメージング計測の安定性を上げるための各種工夫を進めるとともに、精密熱容量の測定を行うためのチェンバーユニットの作成を進め、その中に、200K以下での温度領域で極微試料の計測に用いている断熱型の熱容量測定のユニット、緩和型の熱容量の測定ユニットの組込みを行った。その際に、セルノックスセンサーから極微サイズのPtチップセンサーへの変更を行った。真空チェンバー内でのイメージングを大気環境中でほぼ同様の安定度で行うため、赤外線の反射率を落とした表面加工を行ったGeを窓材として用いることで安定した計測を実現した。さらに、設備備品として導入した、長い焦点距離と検出系にマイクロボロメータを用いた25μm×25μmの高解像度のカメラにより高いフレームレートでの分析を可能とした。緩和法、断熱法による熱測定ユニットを真空中で動かすことで、それぞれのユニットでの試料ステージの熱分布や温度安定性に関する定量的な評価を可能にすることができ、温度プロファイルの各過程での空間的な温度勾配を評価するプロセスを確立することが出来た。これらの技術を基礎に、熱物性の絶対値の評価、温度変化を導入することを現在進めている。開発研究の成果の一部は、学会、国際シンポジウムなどでも紹介した。
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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
前年度に引き続き、イメージング法による相対的な温度計測による感度とチップ温度計の安定性の対比と双方の利点を取り入れたかたちでの連続的な温度計測手法の検討を進めた後、実際に熱測定ユニットを組み込む、真空チェンバーの作成を行った。チェンバーの中にPt薄膜チップセンサーと酸化ルテニウム抵抗を使った1.5mm×1.0mmの試料ステージを作成し、緩和型熱容量測定ユニットを組み込んだ。単結晶試料を用いた緩和型熱容量測定を行う場合にはこのステージに直接試料をはりつけ、断熱型測定を行う場合には前年度作成した3.5×10-2ccの試料容器をステージに設置することができる。高真空下での赤外線イメージングの安定性を向上するためGe窓にさらに検討を加え、8-14μmの波長の赤外線に対して90%以上の透過度をもつ表面加工を行った材料を用いた。試料空間を高真空に排気した状態でのステージの温度変化を評価した。令和元年度に用いていたイメージング計測用カメラに加え、新たに設備備品として導入した、焦点距離が42mm, 解像度が25μm×25μmの高感度カメラに入れ替えることで時間的な安定性と、空間解像度が上昇し、加熱時のステージを構成する各種材料内の温度分布等も検出が可能となった。一方、加熱時、緩和時でリード線に生じる熱勾配は無視できるくらいに小さいことが判明し、絶対値の検出が可能であることが明らかになった。これらの情報は、熱伝導度や熱起電力の測定についても有用であり、定常法による温度の勾配についても定量的な評価が可能であるか判断が出来るものと思われる。これらの過程を総合的に判断すると、開発は、ほぼ計画通りに進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、本年度に導入した新たな赤外線イメージングカメラと、作成した熱測定用チェンバーに組み込んだ装置を用いて、断熱環境下の精密熱測定の開発研究をさらに推進して行く。まず、イメージング計測の更なる安定性をあげるためステージ上の金属材料による反射等の影響を軽減をはかり、できるだけ黒体に近づけるための加工を微細加工技術等を用いて進める。また、熱リーク減少のため、センサー、ヒーター部のリード線の更なる微細化も検討し、周辺熱浴との熱リークの軽減による断熱性を向上させる。室温付近から温度変化を行うために、熱浴部分に巻き線型のヒーターを導入するとともに、チェンバー内に熱電素子を多層構造にしたユニットをつくり、±20℃程度の温度範囲で温度変化を行う。この二段階での温度制御によって、熱浴の温度の変化を±5mK以内に精密に制御することが可能となると思われる。一方で、特に断熱法による測定を行う場合に、熱輻射による熱量の逃げを極力抑えるため温度制御可能な薄肉の断熱シールドを銅、チタン、Ge材料を組み合わせて作成し、試料部と常時同じ温度になるように制御を加える。これらの、一連の開発を通して、定量化した熱緩和法、断熱法を用いた精密熱測定手法による絶対値の決定が可能となると思われる。令和3年度の後半は、定常温度差法を用いて、熱伝導度の絶対値の評価を行い測定の信用性と温度変化をさせた場合での熱伝導の温度依存性の測定を行う。標準試料の絶対値測定により精度を評価し、ずれがある場合に、熱系のシミュレ ーションと熱リーク補正法の確立を進める。装置の整備にあわせながら、各種 の分子性化合物に対する測定にも順次着手していく。分子性の複合成分からなる電荷移動塩の各種の単結晶や、金属錯体のナノ構造体の単結晶を使って、熱容量 の測定実現と物性研究に進めていく。
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Report
(2 results)
Research Products
(24 results)
