巨大ゼーベック効果を示す熱電変換材料の分子形状に着目した計算化学的考察

• 研究課題/領域番号: 15K21163
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 機能物性化学; デバイス関連化学
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 小島 広孝 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (70713634)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2015年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: ゼーベック効果 / 熱電変換 / 廃熱利用 / 再生可能エネルギー / 基準振動解析 / 分子動力学計算 / 格子熱伝導率 / 分子形状 / 振電相互作用

研究成果の概要

近年注目されている有機系熱電変換材料に関して、以前より報告している巨大なゼーベック係数について、その発現機構の解明を目指している。本研究では、複数の有機分子が同様の巨大ゼーベック効果（GSE）を示したことから、その分子形状に着目し、複数の計算化学研究を実施した。その結果、DFT計算を用いた基準振動解析から、特異的な振動モードが関与している疑いが示唆され、また分子動力学計算による熱伝導率の算出により、導電方向における熱伝導率の低減がGSE発現の一因となっている可能性も示唆された。これらを実験から得た結果と突き合わせることで、GSE発現の有無や、分子配向効果等として観測されることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Thermoelectric and Thermal Transport Properties in Sumanene Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, M. Nakagawa, R. Abe, F. Fujiwara, Y. Yakiyama, H. Sakurai, M. Nakamura
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 47 号: 4 ページ: 524-527
  • DOI: 10.1246/cl.171210
  • NAID: 130006638907
  • 査読あり
• [雑誌論文] Universality of Giant Seebeck Effect in Organic Small Molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, M. Nakagawa, K. Takahashi, D. Kuzuhara, H. Yamada, Y. Yakiyama, H. Sakurai, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Nakamura
  • 雑誌名: Materials Chemistry Frontiers 巻: 2 号: 7 ページ: 1276-1283
  • DOI: 10.1039/c7qm00596b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant Seebeck effect in pure fullerene thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, M. Ito, Y. Tomatsu, F. Fujiwara, R. Matsubara, N. Yoshimoto, M. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 12 ページ: 121301-121301
  • DOI: 10.7567/apex.8.121301
  • NAID: 210000137720
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Recent Progress on Understanding the Origin of Giant Seebeck Effect in Organic Small Molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, T. Takeuchi, S. Inoue, S. Izawa, M. Kikuchi, M. Hiramoto, Y. Yakiyama, H. Sakurai, M. Nakamura
  • 学会等名: International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics (ICOT2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 有機熱電変換材料に関する計算化学的考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝
  • 学会等名: 有機固体若手の会冬の学校2017
  • 発表場所: ホテルあかね（神奈川県足柄下郡湯河原町）
  • 年月日: 2017-03-09
• [学会発表] Giant Seebeck Effect in Organic Semiconductors: A DFT Study of the Vibronic Coupling (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, M. Nakagawa, T. Takeuchi, M. Ito, K. Takahashi, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Kikuchi, D. Kuzuhara, H. Yamada, N. Yoshimoto, M. Nakamura
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies-The 15th International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM)
  • 国際学会
• [学会発表] Specific thermoelectric effect in organic materials and the computational elucidation (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, and M. Nakamura
  • 学会等名: International Symposium for Advanced Materials Research (ISAMR) 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 特異な熱電現象の解明を指向した分子動力学計算による熱物性の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝，阿部竜，井上智史，中村雅一
  • 学会等名: 第31回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] 熱を電気に変換する有機半導体材料とその特異な性質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝
  • 学会等名: 第3回SPERC研究交流発表会
  • 招待講演
• [学会発表] 有機材料における特異な熱電現象と計算化学的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝，阿部竜，中村雅一
  • 学会等名: 第66回高分子討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 特異な熱電現象の解明を指向した電子と格子の化学計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝
  • 学会等名: 奈良先端科学技術大学院大学異文化融合ワークショップ「電子格子相互作用：基礎物理からデバイス応用まで」
• [学会発表] 分子配向の影響における巨大ゼーベック効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹内高伸，中川真理雄，藤原史弥，阿部竜，高橋功太郎，山田容子，葛原大軌，渡辺剛，小金澤智之，小島広孝，中村雅一
  • 学会等名: 第13回薄膜材料デバイス研究会
  • 発表場所: 龍谷大学響都ホール校友会館（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-10-21
• [学会発表] 温度変調に伴うキャリア伝導機構変化を利用した新奇有機熱電材料の探索(V)：分子間距離の影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部竜，中川真理雄，伊藤光洋，小島広孝，菊池護，渡辺剛，小金澤智之，吉本則之，中村雅一
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] DFT計算を用いた有機熱電変換材料における振電相互作用の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島広孝，阿部竜，藤原史弥，中川真理雄，中村雅一
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Impact of Intra-molecular Vibrations on the Giant Seebeck Effect in Organic Semiconductors: DFT Study of Vibronic Coupling (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, K. Takahashi, M. Nakagawa, D. Kuzuhara, H. Yamada, M. Nakamura
  • 学会等名: KJF-International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP) 2016
  • 発表場所: アクロス福岡（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2016-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] Giant Seebeck effect in organic semiconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, M. Nakagawa, M. Ito, K. Takahashi, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Kikuchi, D. Kuzuhara, H. Yamada, N. Yoshimoto, M. Nakamura
  • 学会等名: European Advanced Materials Congress 2016
  • 発表場所: Stockholm (Sweden)
  • 年月日: 2016-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] 巨大ゼーベック係数を示す有機低分子における振電相互作用の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島 広孝, 阿部 竜, 藤原 史弥, 中川 真理雄, 中村 雅一
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 有機熱電材料における振電相互作用の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島 広孝, 阿部 竜, 藤原 史弥, 中川 真理雄, 中村 雅一
  • 学会等名: 日本熱電学会 計算＆データ研究会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-03-10
• [学会発表] 有機低分子熱電材料における巨大なゼーベック効果と諸物性値の温度依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部竜, 藤原史弥, 中川真理雄, 小島広孝, 中村雅一
  • 学会等名: 日本熱電学会 計算＆データ研究会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-03-10
• [学会発表] Universality of Giant Seebeck Effect in Organic Semiconductors: Impact of the Activation Energy of Electrical Conductivity (2016)
  • 著者名/発表者名: H Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, M. Nakagawa, M. Ito, K. Takahashi, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, D. Kuzuhara, H. Yamada, M. Nakamura
  • 学会等名: International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics (ICOT2016)
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-01-18
  • 国際学会
• [学会発表] 2D-GIXD Analysis of Small Organic Materials Exhibiting the Giant Seebeck Effect (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakagawa, R. Abe, F. Fujiwara, H. Kojima, K. Takahashi, D. Kuzuhara, T. Oguri, M. Kikuchi, T. Watanebe, T. Koganezawa, H. Yamada, N. Yoshimoto, M. Nakamura
  • 学会等名: International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics (ICOT2016)
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-01-18
  • 国際学会
• [学会発表] 温度変調に伴うキャリア伝導機構化を利用した新奇有熱電材料の探索（IV） (2015)
  • 著者名/発表者名: 阿部 竜, 藤原史弥, 伊藤光洋, 小島広孝, 高橋功太郎, 葛原大軌, 山田容子, 山本達也, 薬師寺秀典, 池田征明, 小栗貴文, 菊池護, 渡辺剛, 小金澤智之, 吉本則之, 中村雅一
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 巨大ゼーベック効果を発現する有機低分子材料の探索：分子配向の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤原史弥, 阿部 竜, 伊藤光洋, 高橋功太郎, 葛原大軌, 山田容子, 小栗 貴文, 菊池 護, 吉本 則之, 渡辺 剛, 小金澤 智之, 小島 広孝, 中村 雅一
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Universality of Giant Seebeck effect in organic semiconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, K. Takahashi, M. Ito, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Nakamura
  • 学会等名: 34th Annual International Conference on Thermoelectrics and 13th European Conference on Thermoelectrics (ICT & ECT 2015)
  • 発表場所: Dresden (Germany)
  • 年月日: 2015-06-28
  • 国際学会
• [学会発表] Irregularly large Seebeck coefficients and their temperature dependence observed in pure organic semiconducting materials (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Abe, K. Takahashi, M. Ito, F. Fujiwara, H. Kojima, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, M. Nakamura
  • 学会等名: Eighth International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE8)
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都江戸川区）
  • 年月日: 2015-06-22
  • 国際学会
• [図書] フレキシブル熱電変換材料の開発と応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村雅一（監修）、戸嶋直樹、石田敬雄、小島広孝、真庭豊、河合壯、宮崎康次、末森浩司、小矢野幹夫、伊藤光洋、関本祐紀ほか
  • 総ページ数: 254
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781312552
• [図書] 月刊「化学」2016年8月号 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村雅一，小島広孝
  • 出版者: 化学同人