高品質な低次元接合界面の実現と熱電機能の創出

• 研究課題/領域番号: 18H01331
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 燈明 泰成 東北大学, 工学研究科, 教授 (50374955)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2018年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
• キーワード: 金属細線 / 金属薄板 / ジュール熱 / 接合界面 / 品質 / 熱電機能 / 薄板型熱発電機 / 積層

研究成果の概要

薄板型熱発電機の接合界面の品質を向上し、これを積層して高効率な熱電変換を実現した。金属細線・薄板なる低次元材料同士をジュール熱により接合し、電流や音波を用いた手法により接合部の品質を評価した。薄板型熱発電機の異種金属接合界面を酸化することで熱電変換性能が向上することを見出すと共に、その最大出力を理論的に算出した。更に薄板型発電機を積層した熱発電機の出力を予測する理論モデルを構築し、その妥当性を検証した。理論モデルより、薄板型熱発電機をAgペーストで100枚積層した場合、40Kなる低温度差において50uWの出力が得られるとの試算を得た。これは実用化に向けた有益な知見である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題の遂行により実現した、ジュール熱を用いた金属細線・薄膜の高確度な接合手法は、低次元接合界面の品質が性能に影響を及ぼす次世代材料システムの創出に欠かせない手法となり得ると期待できる。また取り扱った希少金属を用いない積層型熱発電機は、Bi-Te系合金を用いた熱電変換に係るリサイクルの問題を解決するものであり、今後の更なる研究により実用化できれば、その社会的意義は大きい。

研究成果

• [雑誌論文] The use of potential drop measurements to predict the temperature distribution in a thin wire with current flowing through it (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, K. Hiwatashi
  • 雑誌名: Microsystem Technologies 巻: 27 号: 3 ページ: 639-648
  • DOI: 10.1007/s00542-020-05043-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural elasticity for tensile deformation of a single human hair and the comparison with it for the bending deformation (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, K. Fujita, H. Suzuki, K. Futada
  • 雑誌名: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 巻: 113 ページ: 104166-104166
  • DOI: 10.1016/j.jmbbm.2020.104166
  • 査読あり
• [雑誌論文] Materials evaluation and environmental monitoring utilizing an acoustic resonance (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh
  • 雑誌名: Proceedings of the JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing 巻: n/a ページ: 1-5
  • DOI: 10.1115/lemp2020-8503
  • 査読あり
• [雑誌論文] 単一毛髪の引張特性に及ぼす試験条件の影響と光学顕微鏡による引張変形中のキューティクルのその場観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤田賢人, 燈明泰成
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 86 号: 890 ページ: 20-00043-20-00043
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00043
  • NAID: 130007930453
  • ISSN: 2187-9761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interfacial Contact Behavior between CNTs and AgNW with Molecular Dynamics Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Cui, H. Mei, J. Zhang, Z. Fan, J. Yang, W. Wang, H. Tohmyoh, X. Mei
  • 雑誌名: Materials 巻: 13 号: 6 ページ: 1290-1290
  • DOI: 10.3390/ma13061290
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Corrosion Behavior of Ag Film Lines in Atmospheric Conditions Estimated by Means of Electrical Resistance Technique (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Sasaki, H. Tohmyoh
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science and Technology B 巻: 38 号: 1
  • DOI: 10.1116/1.5132765
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Mechanical Properties of Polycrystalline Cu Microwires Having the Crystal Grains Grown by Joule Heating (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, A. Fukuda, Y. Kimura
  • 雑誌名: 材料 巻: 68 号: 5 ページ: 443-449
  • DOI: 10.2472/jsms.68.443
  • NAID: 130007651357
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • 年月日: 2019-05-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal boundary conditions around thin Pt wires under the current supply and its application for Joule heat welding of wires having various diameters (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Mechanical Engineering Journal 巻: 6 号: 3 ページ: 18-00509-18-00509
  • DOI: 10.1299/mej.18-00509
  • NAID: 130007663720
  • ISSN: 2187-9745
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Effect of Oxidation Temperature on the Thermoelectric Performance of the Plate-Type Thermoelectric Power Generator (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Ogi, H. Tohmyoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SD ページ: SDDL05-SDDL05
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab0886
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trial for Monitoring the Water Temperature Utilizing the Frequency Dependence of Reflection Coefficient of Ultrasound Passing through Thin Layer (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, S. Terashima
  • 雑誌名: ASME Journal of Nondestructive Evaluation, Diagnostics and Prognostics of Engineering Systems 巻: 2 号: 2
  • DOI: 10.1115/1.4042871
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of the Structural Elasticity of Human Fingernails by Bending Test and Comparison with the Structural Elasticity of Human Hair (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, D. Taniguchi
  • 雑誌名: ASME Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy 巻: 2 号: 3
  • DOI: 10.1115/1.4042926
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic-Scale Simulation of the Contact Behavior and Mechanism of the SWNT-AgNW Heterostructure (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Cui, J. Zhang, X. Wang, B. Theogene, W. Wang, H. Tohmyoh, X. He, X. Mei
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 123 号: 32 ページ: 19693-19703
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b05181
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation Study on the Interfacial Contact Behavior between Single-Walled Carbon Nanotubes and Nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Cui, X. Ren, H. Mei, X. Wang, J. Zhang, Z. Fan, W. Wang, H. Tohmyoh, X. Mei
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 512 ページ: 145696-145696
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.145696
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancing the Focused Ion Beam Etch Rate of Ag Films by Joule Heating (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sasaki, H. Tohmyoh
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology B 巻: 36 号: 6
  • DOI: 10.1116/1.5054991
  • 査読あり
• [学会発表] 音響共鳴現象を利用した材料評価の実例について (2021)
  • 著者名/発表者名: 燈明泰成
  • 学会等名: 一般社団法人日本非破壊検査協会 第28回超音波による非破壊評価シンポジウム
• [学会発表] 薄層を介して送受信される超音波の理論モデルとその活用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 燈明泰成
  • 学会等名: 一般社団法人電子情報通信学会 超音波研究会
• [学会発表] 金属微細材料の接合と改質について (2020)
  • 著者名/発表者名: 燈明泰成
  • 学会等名: 一般社団法人溶接学会 第131回マイクロ接合研究委員会
  • 招待講演
• [学会発表] 毛髪と爪の力学的・幾何学的研究について (2020)
  • 著者名/発表者名: 燈明泰成
  • 学会等名: 一般社団法人日本機械学会東北支部 東北WEBセミナー第2回「生体・有機材料の構造とメカニクス研究最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] On the Bending Tests of a Single Human Hair to Accurately Determine Its Deformability (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, K. Fujita, H. Suzuki
  • 学会等名: 13th International Conference on the Mechanical Behaviour of Materials (ICM13)
  • 国際学会
• [学会発表] 日常の生活環境での利用を想定した薄板型熱発電機の開発状況について (2019)
  • 著者名/発表者名: 燈明 泰成
  • 学会等名: 第9回磁気センサの高機能とシステム化調査専門委員会
  • 招待講演
• [学会発表] An Acoustic Resonant Thermometry for Monitoring the Water Temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, S. Terashima, M. Ito
  • 学会等名: 8th International Conference on Mechanics and Materials in Design (M2D 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a Tensile Testing Apparatus for Human Hair (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Fujita, H. Tohmyoh
  • 学会等名: International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 2019 (ATEM'19)
  • 国際学会
• [学会発表] On the Bending and Tensile Tests of a Single Human Hair (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh
  • 学会等名: The International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2019 (IMECE2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 音響共鳴現象を利用した超音波温度計測について (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 眞里, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本非破壊検査協会 2019年度秋季講演大会
• [学会発表] 単一毛髪の引張試験について (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤田 賢人，燈明 泰成
  • 学会等名: 日本非破壊検査協会 2019年度秋季講演大会
• [学会発表] Investigation of Corrosion Speed of Ag Film Line in Atmosphere by Electrical Resistance Technique (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Sasaki, H. Tohmyoh
  • 学会等名: 8th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN2019)
  • 国際学会
• [学会発表] ストレスマイグレーションを活用したALウィスカの作製とその電気的特性評価について (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Thomas, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第10回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
• [学会発表] マイクロ・ナノ材料の接合・改質・評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第10回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ジュール熱を用いた銅マイクロ細線の接合について (2019)
  • 著者名/発表者名: 神保 卓也, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第27回機械材料・材料加工技術講演会 (M&P2019)
• [学会発表] 単一毛髪の引張と曲げに対する変形能の相違について (2019)
  • 著者名/発表者名: 燈明 泰成, 藤田 賢人
  • 学会等名: 日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
• [学会発表] 薄層と接する水の温度と音圧反射率の関係について (2018)
  • 著者名/発表者名: 燈明 泰成, 寺嶋 脩
  • 学会等名: 日本機械学会 第26 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2018）
• [学会発表] 希少金属を用いない薄板型熱発電機の熱電性能について (2018)
  • 著者名/発表者名: 仰木 直人, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第26 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2018）
• [学会発表] 通電下の金属細線内部に形成される温度分布の推定について (2018)
  • 著者名/発表者名: 樋渡 恭平, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第26 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2018）
• [学会発表] 銀薄膜の集束イオンビームエッチング速度に及ぼす結晶粒界の密度の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 崇紘, 燈明 泰成
  • 学会等名: 日本機械学会 第26 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2018）
• [学会発表] Effect of Oxidation Temperature on the Thermoelectric Performance of the Plate-Type Thermoelectric Power Generator (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Ogi, H. Tohmyoh
  • 学会等名: 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 音響共鳴を利用した水温計測について (2018)
  • 著者名/発表者名: 燈明 泰成, 寺嶋 脩
  • 学会等名: 日本非破壊検査協会 平成30年度秋季講演大会
• [学会発表] On the Joule Heat Welding of Thin Wires Having Various Diameters (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tohmyoh, K. Yamaguchi
  • 学会等名: The 5th Asian Symposium on Material and Processing 2018 (ASPM2018)