有機・無機複合化による熱電変換効率の向上

• 研究課題/領域番号: 16K13838
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 花咲 徳亮 大阪大学, 理学研究科, 教授 (70292761)
• 研究協力者: 酒井 英明 ; 村川 寛
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 熱電変換 / 電気化学 / 無機物質 / 有機分子 / 熱電効果 / 複合材料・物性

研究成果の概要

熱電材料において変換効率を向上させるため、熱を運ぶ音響フォノンを、ラットリングを起こす原子で散乱する事が行われる。有機分子には多くの分子内振動モードがある。これらのモードを活用できれば有意義である。我々は無機層状化合物に陽イオンの有機分子を電気化学的な方法で導入する事を試みた。電子的キャリアを注入する事で電気伝導率を向上させるとともに、熱伝導率を下げる事に成功した。これは導入された有機陽イオンがフォノンの散乱に有効であったためと考えられる。本研究を通じて、変換効率を向上させる事ができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

簡便に熱を電気エネルギーに変換できれば、社会の省エネルギーに貢献できる。このような働きをする物質は熱電物質と呼ばれる。変換効率を上げるには、熱電物質内における熱の流れを減らす必要がある。本研究では、無機化合物に有機分子を導入し、熱を運ぶフォノンを有機分子で散乱させる事を試みた。実験の結果、熱伝導率を下げて変換効率を向上させる事に成功した。熱電効果に有利な無機化合物と、熱伝導を阻害する有機分子を組み合わせる有効性が確かめられた。

研究成果

• [雑誌論文] Electrochemical synthesis of phthalocyanine-molecular mixed crystals in dilute solution (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ishii, H. Murakawa , M. Nishi , M. Matsuda , H. Sakai and N. Hanasaki
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 巻: 487 ページ: 92-92
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.02.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microwave nonreciprocity of magnon excitations in the noncentrosymmetric antiferromagnet Ba2MnGe2O7 (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Iguchi, Y. Nii, M. Kawano, H. Murakawa, N. Hanasaki, and Y. Onose
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 98 号: 6 ページ: 064416-064416
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.064416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative evaluation of Dirac physics in PbTe (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Akiba, Atsushi Miyake, Hideaki Sakai, Keisuke Katayama, Hiroshi Murakawa, Noriaki Hanasaki, Sadao Takaoka, Yoshiki Nakanishi, Masahito Yoshizawa and Masashi Tokunaga
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 11 ページ: 115144-115144
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.115144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale ice-type structural fluctuation in spinel titanetes (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Torigoe, T. Hattori, K. Kodama, T. Honda, H. Sagayama, K. Ikeda, T. Otomo, H. Nitani, H. Abe, H. Murakawa, \underline{H. Sakai}, and N. Hanasaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 13 ページ: 134443-134443
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.134443
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced magnetoresistance in the binary semimetal NbAs2 due to improved crystal quality (2018)
  • 著者名/発表者名: K.Yokoi, H.Murakawa, M.Komada, T.Kida, M.Hagiwara, H.Sakai, and N.Hanasaki
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 号: 2 ページ: 024203-024203
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.024203
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An electrically conducting crystal composed of an octahedrally ligated porphyrin complex with high-spin iron(III) (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nishi, R. Ishii, M. Ikeda, N. Hanasaki, N. Hoshino, T. Akutagawa, M. Sumimoto, M. Matsuda
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 47 号: 12 ページ: 4070-4075
  • DOI: 10.1039/c7dt04649a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Iodide-coordinated Dinuclear Molecular Single Crystal Cr2(mu-I)2I4(C8N2H4)4 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Murakawa, Moriyoshi Komada, and Noriaki Hanasaki
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 46 号: 4 ページ: 554-556
  • DOI: 10.1246/cl.161205
  • NAID: 130005549082
  • 査読あり
• [雑誌論文] Axially Ligated Phthalocyanine Conductors with Magnetic Moments (2017)
  • 著者名/発表者名: Tamotsu Inabe and Noriaki Hanasaki
  • 雑誌名: Magnetochemistry 巻: 3 号: 2 ページ: 18-18
  • DOI: 10.3390/magnetochemistry3020018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new strategy for inducing dipole moments in charge-transfer complexes: Introduction of asymmetry into axially ligated iron phthalocyanines (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Matsuda,* S. Iwamura, Y. Hamada, H. Ohishi, M. Nishi, Y. Nogami, M. Ikeda, A. Kanda, Y. Funasako, T. Mochida, A. Nakao, N. Hanasaki
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 46 号: 35 ページ: 11800-11805
  • DOI: 10.1039/c7dt02605f
  • 査読あり
• [雑誌論文] PVD thin film growth of M(Pc)(CN)2 axially substituted metal-phthalocyanines (2017)
  • 著者名/発表者名: Felix Kuster, Marco Grunewald, Mitsuo Ikeda, Noriaki Hanasaki, and Torsten Fritz
  • 雑誌名: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 巻: 21 号: 11 ページ: 739-744
  • DOI: 10.1142/s1088424617500754
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interplay between charge density wave and antiferromagnetic order in GdNiC2 (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Hanasaki, S. Shimomura, K. Mikami, Y. Nogami, H. Nakao, and H. Onodera
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.085103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple charge density wave transitions in the antiferromagnets RNiC2 (R=Gd,Tb) (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shimomura, C. Hayashi, N. Hanasaki, K. Ohnuma, Y. Kobayashi, H. Nakao, M. Mizumaki, and H. Onodera
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.165108
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Magnetic Field Study on Giant Negative Magnetiresistance in the Molecular Conductor TPP[Cr(Pc)(CN)2]2 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ikeda, T. Kida, T. Tahara, H. Murakawa, M. Nishi, M. Matsuda, M. Hagiwara, T. Inabe, and N. Hanasaki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 号: 6 ページ: 064713-064713
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.064713
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Phthalocyanine-Based Single-Component Molecular Conductor [MnIII(Pc)(CN)]2O (2016)
  • 著者名/発表者名: Mitsuo Ikeda, Hiroshi Murakawa, Masaki Matsuda, and Noriaki Hanasaki
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 55 号: 15 ページ: 7314-7316
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b00678
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant negative magnetoresistance effect in an iron tetrabenzoporphyrin complex (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nishi, M. Ikeda, A. Kanda, N. Hanasaki, N. Hoshino, T. Akutagawa, and M. Matsuda
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 45 号: 42 ページ: 16604-16609
  • DOI: 10.1039/c6dt01911k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] p/n型SnSeにおける外部圧力を利用したバレー構造と熱電特性の制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村拓也、酒井英明、森仁志、秋葉和人、三宅厚志、徳永将史、上床美也、臼井秀知、越智正之、黒木和彦、片山敬介、坂本拓也、村川寛、花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 熱電材料SnSeにおける外部圧力を利用した電力因子の向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西村拓也、酒井英明、片山敬介、秋葉和人、三宅厚志、徳永将史、上床美也、村川寛、花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 有機分子インターカレーションによる遷移金属ダイカルコゲナイドSnSe2の電力因子と熱伝導率の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 李海卿、酒井英明、片山敬介、池田光雄、青石優平、村川寛、花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会2017年年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 熱電材料SnSeにおける元素置換を利用したバンド構造とキャリア密度の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本拓也、酒井英明、片山敬介、村川寛、花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会2017年年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 層状物質SnSe2における有機分子インターカレーションを用いたキャリア濃度制御と熱電性能の向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 李海卿、酒井英明、片山敬介、池田光雄、青石優平、村川寛、花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学