| 研究課題/領域番号 |
22K05046
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分32020:機能物性化学関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
安東 秀峰 山形大学, 理学部, 准教授 (00754946)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | ナノカーボン / リチウムイオン伝導 / 細孔内ポテンシャル / 電子・核波動関数 / テラヘルツ域分光スペクトル / ナノチューブ / フラーレン / 電子状態 / 核波動関数 / カーボンナノチューブ / イオン伝導 / テラヘルツ分光スペクトル |
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| 研究開始時の研究の概要 |
基礎科学分野と材料工学分野の双方で近年，機能性物質のホスト・ゲスト物性が重要な研究テーマとなっている．本研究ではカーボンナノチューブの細孔内のリチウムイオン伝導に着目し，電子と原子核の量子性がいかに関連付いてリチウムイオン伝導が起きるか理論的に明らかにする．ミクロのメカニズムとそれを裏付けるマクロの分光スペクトルを提案し，柔軟な量子状態が鍵となるホスト・ゲスト科学の開拓とデバイス理解の深化をもたらす．
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| 研究実績の概要 |
カーボンナノチューブ（CNT）は多孔性ホスト物質の典型であり，電子・イオン伝導性や高い比表面積など，特異な性質を活かした材料工学的応用が期待されている．しかし，微視的な電子・イオン伝導メカニズムについては未だ理解が乏しい．本研究では，チューブ径が似通う金属・アームチェア型CNT(15,15)と半導体・ジグザグ型CNT(26,0)のLiイオン伝導に着目し，CNT骨格の電子状態の変化とLiの細孔内束縛運動の関連を理論的に検討してきた．
令和6年度は，二つのCNTを模した直方晶系スーパーセル・モデルについて密度汎関数理論（DFT）計算を実施し，細孔内ポテンシャルの特徴付けとLiの運動に伴うCNT骨格の導電性の変化を調べた．いずれのCNTでも，Liの吸着サイトは六員環中心の直下に位置する．吸着サイトでの安定化はKorsunらの先行研究に反して，CNT(15,15)，CNT(26,0)の間に明瞭な差が見られなかった．Nudged elastic band法により二つの六員環が共有するC-C結合下に遷移状態が見つかり，そのエネルギーから，いずれのCNTでも吸着サイト間をLiが容易に移動できると分かった．細孔内の三つの重要なサイト（チューブ軸上，吸着サイト，遷移状態）にLiを置き，投影状態密度の違いを精査した．CNT(15,15)では，Liの位置によらずフェルミ準位近傍に目立ったギャップは無く，金属的であった．CNT(26,0)では，特にLiが内壁に近づくことで導電性が向上すると示唆された．この結果は，Liイオン伝導とCNTの電子状態変化が関連付いていることを示す．
Liの核波動関数の安定性をエネルギー密度の観点から解析するため，新たに理論プログラムを開発した．予備的研究として類似系のLi内包フラーレンに応用し，細孔内に束縛されたLi核波動関数の安定・不安定化要因を可視化して詳らかにすることに成功した．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
3: やや遅れている
理由
本課題を通して，Li内包CNTのモデルハミルトニアン構築とLiの核波動関数計算に必要な理論プログラムの全てが整備済みである．また，エネルギー密度の観点から核波動関数の安定性を解析する理論プログラムを新たに開発し，その有用性を類似系のLi内包フラーレンで検証できた．理論プログラム群を整備・拡充できた一方，DFT計算を用いたCNTのスーパーセル・モデルの構築・検証（令和5年度まで）が当初予定より遅延したため，理論プログラムの応用計算に未だ時間を要する．以上の状況を総合的に勘案し，やや遅れていると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
吸着サイトの安定性やCNTの導電性に関してKorsunらの先行研究と異なる結果が得られた理由を考察する．Liの細孔内運動に関する大域的なポテンシャルエネルギー面を，スーパーセル内に定義した円筒座標グリッド上のDFT計算と修正モース関数フィッティングで構築する．得られたモデルハミルトニアンに独自開発した理論プログラムを適用することで，Liの核波動関数とエネルギー準位を計算し，二つのCNTで結果を比較する．Liが吸着サイトにある場合，安定構造のCNT骨格は若干歪む．この歪みが与える細孔内ポテンシャルとLiの核波動関数，エネルギー準位への影響を調べる．Li内包フラーレンの研究成果も論文に取り纏める．
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