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アモルファス酸化物ナノ膜におけるパーコレーションイオン伝導のサイズ効果

研究課題

研究課題/領域番号 20760460
研究種目

若手研究(B)

配分区分補助金
研究分野 構造・機能材料
研究機関北海道大学

研究代表者

青木 芳尚  北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教 (50360475)

研究期間 (年度) 2008 – 2009
研究課題ステータス 完了 (2009年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2009年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2008年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワードパーコレーション / プロトン伝導体 / アモルファス酸化物 / 電解質膜 / 燃料電池 / セラミックスプロトン伝導体 / 固体電解質薄膜 / アモルファス金属酸化物 / サイズスケーリング / ゾル-ゲル / 中温作動型燃料電池
研究概要

a-M_nSi_<1-n>O_x薄膜の膜厚が100nm以下に減少すると、プロトン伝導率がべき乗則で増加する、いわゆるサイズスケーリング現象が発見された。a-M_nSi<1-n>O_xは、低伝導マトリクスと高伝導パス(Bronsted 酸点:-O-Si^<4+>-O-M^<m+>-O-ヘテロ結合)からなる不均一構造を有している。この高伝導パスのつながり、いわゆる'クラスター'がプロトンチャンネルとして働く。膜厚dが最大クラスターのサイズζより大きい場合(バルク状態)、伝導パスのパーコレーションは起こらない。dがζにほぼ等しくなると(臨界点)、伝導パスのパーコレーションが起こり、σは増加する。更にdが減少すると、より小さなクラスターもパーコレーションするためその数N_p はd_<-μ>に従い増加し、こうしてσのスケーリングが起こる。本研究の結果は、アモルファスイオン伝導体にはバルク平均値より高いコンダクタンスの微細構造(伝導パス)が存在することを示唆しており、a-Al_<0.1>Si^<0.9>O_x薄膜の場合、伝導パスは平均長約20nmのアルミノシリカ鎖であることが示された。本研究の結果は、アモルファス酸化物の分子組成などを変えることにより、さらに新しい伝導率増強効果が発見される可能性が示唆された。

報告書

(3件)
  • 2009 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2008 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2010 2009 2008 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (10件) 備考 (3件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Ion-conducting, sub-100 nm-thick film of amorphous hafnium silicate2010

    • 著者名/発表者名
      Y.Aoki, H.Habazaki, T.Kunitake
    • 雑誌名

      Solid State Ionics Vol.115,No.3-4

      ページ: 115-121

    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [雑誌論文] Size-scaling of proton conductivity in amorphous aluminosilicate acid thin film2009

    • 著者名/発表者名
      Y.Aoki, H.Habazaki, T.Kunitake
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society Vol.131,No.40

      ページ: 14399-14406

    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [雑誌論文] High proton conductivity in anodic ZrO2-WO3 nanofilms2009

    • 著者名/発表者名
      D.Kowalski, Y.Aoki, H.Habazaki
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition Vol.48,No.41

      ページ: 7582-7585

    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [雑誌論文] Size-scaling of proton conductivity in amorphous aluminosilicate acid thin film2009

    • 著者名/発表者名
      Y.Aoki, H.Habazaki, T.Kunitake
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society 131

      ページ: 14399-14399

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced proton conductivity of amorphous silicate nanofilms2009

    • 著者名/発表者名
      Y. Aoki, H. Habazaki and T. Kunitake
    • 雑誌名

      ECS Transactions (印刷中)

    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ion-conducting, sub-100 nm-thick film of amorphous hafnium silicate2009

    • 著者名/発表者名
      Y. Aoki, H. Habazaki and T. Kunitake
    • 雑誌名

      Solid State Ionics (印刷中)

    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thickness dependence of proton conductivity of amorphous aluminosilicate nanofilm2008

    • 著者名/発表者名
      Y.Aoki, H.Habazaki, T.Kunitake
    • 雑誌名

      Electrochemical and Solid-State Letters Vol.11,No.11

    • NAID

      120001000655

    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [雑誌論文] Thickness dependence of proton conductivity of amorphous aluminosilicate nanofilm2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Aoki, H. Habazaki and T. Kunitake
    • 雑誌名

      Electrochemical and Solid State Letters 11

      ページ: 11-13

    • NAID

      120001000655

    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] アモルファスシリケート薄膜における伝導率スケーリング挙動2010

    • 著者名/発表者名
      青木芳尚
    • 学会等名
      電気化学会第77回大会
    • 発表場所
      富山大学(富山)
    • 年月日
      2010-03-30
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] アモルファスリン酸ジルコニウム薄膜のプロトン伝導挙動2010

    • 著者名/発表者名
      小川幸太
    • 学会等名
      電気化学会第77回大会
    • 発表場所
      富山大学(富山)
    • 年月日
      2010-03-30
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Power-law scaling of proton conductivity of amorphous silicate thin films2009

    • 著者名/発表者名
      青木芳尚
    • 学会等名
      17th International Symposium on Solid State Ionics
    • 発表場所
      Toronto、Canada
    • 年月日
      2009-07-02
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] アモルファスシリケート薄膜における伝導率スケーリング挙動2009

    • 著者名/発表者名
      青木芳尚、幅崎浩樹
    • 学会等名
      電気化学会第77回大会
    • 発表場所
      富山
    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [学会発表] アモルファスリン酸ジルコニウム薄膜のプロトン伝導挙動2009

    • 著者名/発表者名
      小川幸太、青木芳尚、幅崎浩樹、山口周
    • 学会等名
      電気化学会第77回大会
    • 発表場所
      富山
    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [学会発表] アモルファスシリケートM0.1Si0.9Ox薄膜における伝導率サイズスケーリングの添加元素M依存性2009

    • 著者名/発表者名
      青木芳尚、幅崎浩樹
    • 学会等名
      第35回固体イオニクス討論会
    • 発表場所
      大坂
    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [学会発表] Power-law scaling of proton conductivity of amorphous silicate thin films2009

    • 著者名/発表者名
      Y.Aoki, H.Habazaki, T.Kunitake
    • 学会等名
      17th International Symposium on Solid State Ionics
    • 発表場所
      Toronto
    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [学会発表] Enhanced proton conductivity of amorphous silicate nanofilms2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Aoki, H. Habazaki and T. Kunitake
    • 学会等名
      PRIM 214^<th> ECS meeting
    • 発表場所
      Hilton Hawaiian Village, Honolulu, HI, USA
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] Ion-conducting, sub-100 nm-thick film of amorphous hafnium silicate2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Aoki, H. Habazaki and T. Kunitake
    • 学会等名
      14th International Conference on Solid State Proton Conductors
    • 発表場所
      Coop-Inn Kyoto, Kyoto, Japan
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [学会発表] アモルファスAl_nSi_<1-n>O_x薄膜におけるプロトン伝導率の膜厚依存性2008

    • 著者名/発表者名
      青木芳尚、幅崎浩樹、国武豊喜
    • 学会等名
      第34回固体イオニクス討論会
    • 発表場所
      東京大学生産技術研究所、東京
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/elechem/

    • 関連する報告書
      2009 研究成果報告書
  • [備考]

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/elechem/

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/elechem/

    • 関連する報告書
      2008 実績報告書
  • [産業財産権] 膜電極接合体とその製造方法および燃料電池セル2010

    • 発明者名
      国武豊喜、藤川茂紀、幅崎浩樹、青木芳尚、福永悠希
    • 権利者名
      国武豊喜、藤川茂紀、幅崎浩樹、青木芳尚、福永悠希
    • 産業財産権番号
      2010-012660
    • 出願年月日
      2010-01-23
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [産業財産権] プロトン伝導性膜およびその製造方法、電気化学セル2009

    • 発明者名
      幅崎浩樹、青木芳尚、ダミアンコバルスキー
    • 権利者名
      国立大学法人北海道大学
    • 産業財産権番号
      2009-063776
    • 出願年月日
      2009-03-17
    • 関連する報告書
      2008 実績報告書

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公開日: 2008-04-01   更新日: 2016-04-21  

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