Exploration of p-type semiconductor chimneys at seafloor based on microstructural analysis and thermoelectric characterization
| Project/Area Number |
22K18723
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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 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 義倫 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (30374995)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 海底熱水噴出孔 / 硫化物チムニー / 熱起電力 / 電気伝導度 / 累帯構造 / 伊豆・小笠原海域 / 熱電変換性能 / 半導体 / チムニー / 黒鉱 / 硫化物 / 熱電特性 / 明神礁カルデラ / 鉱物組織 / 海底熱水鉱床 / 岩石ー水相互作用 |
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| Outline of Research at the Start |
海洋底の熱水噴出孔では、硫化物からなるチムニーが形成している。熱水と海水との酸化還元状態違いにより、熱水側から海水側に電子が移動し、特異な生物群集を作り出す。一方、硫化物は半導体であり、温度差そのものに起因して熱起電力が発生し、不純物によってn型（高温から低温へ電子が移動）からp型（高温から低温への正孔が移動）へと容易に変化する。本研究では、現世と過去の熱水噴出孔のチムニー試料に対して、鉱物組織解析と電気特性の評価、熱水条件での熱起電力測定を行い、チムニーの熱電特性(n型、p型、混合型)の多様性とその成因を明らかにし、岩石－熱水系から海底生物圏へのエネルギー供給モデルの構築にチャレンジする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、伊豆・小笠原海域の明神礁カルデラ、および明神海丘から採取されたチムニーの微細組織観察および、熱起電力と電気伝導度の測定を行った。EPMAによる分析により、多くの若いチムニー試料は空隙率が高く(30-50%)、硫酸塩であるBariteや閃亜鉛鉱の微粒子から構成されていることがわかった。一方、成熟したチムニーは、空隙率が小さくなり、また、複数存在する熱水流通孔周辺に黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱などの緻密なレイヤーが形成されていた。
典型的な硫化物（黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱、閃亜鉛鉱など）の単一鉱物の電気特性を測定した結果、閃亜鉛鉱は熱起電力の指標であるゼーベック係数が>100mV/Kと大きいが、電気伝導度が絶縁体領域まで低いこと、また、一方で、方鉛鉱、黄鉄鉱、黄銅鉱はゼーベック係数は比較的小さいが、電気伝導度が高い、典型的な半導体であることがわかった。このため、海洋底の硫化物チムニーを測定すると、若いチムニーではゼーベック計数は大きくても、電気伝導度が低すぎるために、熱電変換効率は小さく、一方で、成熟したチムニーの内壁では電子をキャリアとするn型半導体として高い熱電変換効率を保つことがわかった。このことは、チムニーの一生におけるある特定の時期に、導体としての性質と、熱電変換機能を同時に発現させることがわかった。チムニー内外の温度差が200-300度であるとすると、その熱起電力は100-600mVにも達するために、還元的な熱水と酸化的な海水の電位差に匹敵する。このことは、地球内部の熱エネルギーが熱起電力として電気エネルギーに変換され、深海底の微生物群集に供給されている可能性を示唆する。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
