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低次元材料の格子欠陥制御と熱整流作用

研究課題

研究課題/領域番号 11J02268
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 熱工学
研究機関九州大学

研究代表者

林 浩之  九州大学, 工学府航空宇宙工学専攻, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードカーボンナノチューブ / 熱伝導率 / 弾道的熱伝導 / フォノン / 欠陥 / 集束イオンビーム / 長さ依存 / 多層カーボンナノチューブ / MWNT / 直径依存 / 単層カーボンナノチューブ / SWNT / ラマン分光 / 実験手法
研究概要

本研究の目的は低次元材料の格子欠陥を制御することで熱整流作用を実現することである。低次元材料を用いるのは格子欠陥の影響を顕在化させるためであり、現在の技術で最も低次元の材料とされているカーボンナノチューブ(CNT)に格子欠陥を導入することで熱整流作用を発生し得ることが明らかになってきている。しかしながら、CNTを熱整流器などのデバイスに応用するためには、その特異な熱伝導特性を明らかにする必要がある。特に、多層カーボンナノチューブ(MWNT)は3000W/m・Kと高い熱伝導率を有し、単層カーボンナノチューブ(SWNT)よりも生産コストが低いことからCPUやパワーデバイスの放熱材料としての応用も期待されているが、数μmの長さスケールで長さによって熱伝導率が変化する熱伝導率の長さ依存性を示す。これは熱のキャリアであるフォノンが界面から界面へ弾道的に輸送される弾道的熱伝導が発生しているためである。シリコンなどではnmオーダーでこの現象が顕著になってくるのであまり問題にならないが、MWNTは数μmのデバイスとして用いられると想定されるため、長さ依存性が工業上重要である。
そこで我々は集束イオンビーム(FIB)を用いたMWNTへの欠陥導入手法を開発し、MWNTの長さを分断するように欠陥を導入することでフォノンの弾道輸送を人工的に発生させ、独自のセンサを用いて熱伝導率を計測することで熱伝導率の長さ依存性を調査した。これによって、MWNTにおいては1μmを超える自由行程を有するフォノンが熱伝導率に大きく寄与しており、4.8㎛から0.3㎛に短くすることで熱伝導率が50%以上減少する長さ依存性を示すことが明らかになった。本研究はMWNTの長さ依存性を初めて定量的に計測したものであり、MWNTの実用に向けた有用な知見として認められ、国際的に評価の高いジャーナルに発表している。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2014 2013 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] Direct evaluation of ballistic phonon transport in a multi-walled carbon nanotube2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi, et al.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 104 号: 11 ページ: 113112-113112

    • DOI

      10.1063/1.4869470

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced anisotropic heat conduction in multi-walled carbon nanotubes2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi, et al.
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 113 号: 1 ページ: 14301-14301

    • DOI

      10.1063/1.4772612

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal rectification of asymmetrically-defective materials2011

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi, et al
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Science and Technology

      巻: 25-1 号: 1 ページ: 27-32

    • DOI

      10.1007/s12206-010-1008-x

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 集束イオンビームを用いた孤立カーボンナノチューブの熱伝導率制御2014

    • 著者名/発表者名
      林 浩之
    • 学会等名
      日本機械学会 九州支部 第67期総会・講演会
    • 発表場所
      北九州
    • 年月日
      2014-03-13
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 欠陥を有するMWNTの熱輸送特性の評価2013

    • 著者名/発表者名
      林 浩之
    • 学会等名
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2013-05-29
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Experimental Characterization of Heat Conduction in Multi-walled Carb on Nanotubes2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi
    • 学会等名
      2013 MRS Spring Meetings & Exhibits
    • 発表場所
      San Francisco
    • 年月日
      2013-04-03
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Individual measurement of thermal conductivity of damaged MWCNT2012

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi
    • 学会等名
      The Third International Forum on Heat Transfer
    • 発表場所
      長崎
    • 年月日
      2012-11-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Thermal Conductivity of Partially-Defected Individual Carbon Nanotubes2012

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hayashi
    • 学会等名
      Eighteenth Symposium on Thermophysical Properties
    • 発表場所
      Boulder
    • 年月日
      2012-06-28
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 局所的欠陥を有するMWNTの熱伝導に関する実験的研究2012

    • 著者名/発表者名
      林浩之
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      富山
    • 年月日
      2012-06-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Measurement Method of Thermal Conductivity of Chirality-Identified Individual SWNT2012

    • 著者名/発表者名
      林浩之
    • 学会等名
      The Eighth KSME-JSME Thermal and Fluids Engineering Conference
    • 発表場所
      インチョン
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 顕微ラマン分光解析を組み合わせたSWNT一本の熱伝導率の測定法2011

    • 著者名/発表者名
      林浩之
    • 学会等名
      第48回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      岡山
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 顕微ラマン分光解析を組み合わせたSWNT1本の熱伝導率の測定法2011

    • 著者名/発表者名
      林浩之
    • 学会等名
      第32回日本熱物性シンポジウム
    • 発表場所
      横浜
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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