| Project/Area Number |
21K14479
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
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| Research Institution | Ibaraki University (2023)
Chuo University (2021-2022) |
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Principal Investigator |
坂根 駿也 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (00882391)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 銅ナノ粒子 / 光還元法 / PEDOT:PSS / 熱電材料 / セレン化銅 / ナノワイヤ / ゼーベック係数 / 電気伝導率 / 導電性高分子 / ナノ構造 / 熱電変換 / ナノ粒子 / 有機熱電材料 / 出力因子 |
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| Outline of Research at the Start |
熱電材料は、ゼーベック係数、電気伝導率が高く、熱伝導率が小さい材料が求められる。近年フレキシブル性が注目されている有機熱電材料は、熱伝導率が小さいため、ゼーベック係数と電気伝導率を合わせた出力因子の増大が性能向上に重要である。本研究では、新規フレキシブル熱電材料の開発に向けて、導電性高分子であるPEDOT:PSSにおいて、PSS上に選択的にCuナノ粒子を作製することで、高いゼーベック係数と高い電気伝導率を同時に達成することを目的とする。具体的には、PEDOT:PSS中のPSSアニオンに銅イオンを担持したのちにそれを還元することによってCuナノ粒子の作製を行なう。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フレキシブルな熱電材料として期待されるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)：ポリ(4-スチレンスルホン酸塩)（PEDOT:PSS）に注目し、光還元法を用いて銅ナノ粒子/PEDOT:PSSを合成することで、PEDOT:PSSの熱電物性を制御することを目的としている。
しかし、銅ナノ粒子は大気不安定であるため、合成後に導入するのは難しく、昨年度は比較的大気安定なセレン化銅を合成し、PEDOT:PSSに導入するという方向へ方針転換を行なった。すると、セレン化銅ナノワイヤをPEDOT:PSSに導入した薄膜では、熱電出力因子（ゼーベック係数の2乗×電気伝導率）が約10倍程度増大することが分かった。今年度は、光還元法を用いて合成したセレン化銅ナノワイヤそのものの熱電物性を調べるために、ナノワイヤ粉末に対してコールドプレスを行ない、熱電特性を評価した。その際、銅空孔がセレン化銅のキャリアとなるため、銅とセレンの組成比をわずかに変化させた試料を作製した。実際に銅の含有量を変化させた試料の拡散反射スペクトルを取得すると、銅の含有量が増えるにつれ銅空孔由来の吸収ピークが減少する傾向が見られた。一方でナノワイヤの形状に変化がなかったことから、わずかに銅空孔の量を変化したセレン化銅ナノワイヤの合成に成功した。熱電物性を測定すると、銅の含有量が多いほど電気伝導率が小さくゼーベック係数が大きくなる傾向が見られた。これは銅空孔が減少するにつれてキャリア密度が減少したことに由来すると考えられる。結果として、熱電出力因子が最大になるような銅空孔の量を最適化することができた。これは、光還元による緩やかな反応によって銅空孔の量を精密に制御することができたためだと考えられる。
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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
昨年度、銅ナノ粒子をPEDOT:PSSに導入して熱電性能を向上させる予定をしていたが、セレン化銅ナノワイヤをPEDOT:PSSに導入するという方針へ変更した。今年度はセレン化銅ナノワイヤそのものの熱電物性を調べるために、銅とセレンの組成比をわずかに変化させた試料を合成した。すると、拡散反射スペクトルから実際に銅空孔の量を変化させたセレン化銅ナノワイヤの合成に成功した。また、熱伝物性を評価すると、銅の含有量が多いほど電気伝導率が小さくゼーベック係数が大きくなる傾向が見られた。結果として、熱電出力因子が最大になるような銅空孔の量を最適化することができた。これは、光還元による緩やかな反応によって銅空孔の量を精密に制御することができたためだと考えられる。
以上より、セレン化銅ナノワイヤの合成に方針転換することになったが、その熱電物性を明らかにし、銅空孔の量を精密に制御することで出力因子を最適化することができたため、順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、銅空孔の量を精密に制御することでセレン化銅ナノワイヤの熱電物性を最適化することができた。今後は、光照射時間を変化させたナノワイヤを合成し、セレン化銅ナノワイヤが合成されるまでの途中状態の結晶構造や組成を詳細に調べることで、光還元によって合成されるメカニズムを明らかにする。これにより、さらなる熱電物性の向上に向けた指針を得る。その際、反応途中状態は大気不安定な相ができる可能性があるが、グローブボックス内で作業をするなどで、対応する。また、セレン化銅ナノワイヤ熱伝導率を含めた熱電特性を明らかにするためには、現在合成している溶液量でのセレン化銅ナノワイヤの収量が少ないため、溶液量をスケールアップさせた場合の合成条件を確立していく。
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