酸化物へのインターカレーションによる熱伝導可変素子の開発

• 研究課題/領域番号: 22K18985
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分30:応用物理工学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 宇治原 徹 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (60312641)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 熱伝導率 / インターカレーション / 熱物性 / 熱スイッチ / 酸化物 / 熱制御

研究開始時の研究の概要

本研究では、非晶質をベースにイオンの挿入・脱離で熱伝導率が大きく変化する新たな機能性材料分野の開拓を目指す。学術的にはいまだ未知な部分が多い非結晶物質の物性を熱特性の観点から新たな解釈に挑むものであり、工学的には電子機器・デバイスで大きな課題である熱制御に新たな方法論を提示する。また、熱伝導可変物質を活用し熱スイッチを試作する。熱伝導可変物質とイオン供給層を積層させ、イオンが移動する程度に電圧を短時間印加する。それで高熱伝導状態（on）と断熱状態（off）を切り替える。また、ペルチエ、蓄熱材と熱スイッチを組み合わせることで、熱制御のための基本的な熱デバイス動作を実現できる。

研究実績の概要

本研究では、機能性物質へのイオンのインターカレーションによる熱物性の変化を利用した熱制御デバイスの実現を目指している。特に、熱伝導率の変化による熱スイッチをターゲットとしている。これまでに、酸化タングステンなどの物質に水素イオンやリチウムイオンなどをインターカレーションすることで熱伝導率が変化することを見出してきたが、そのメカニズムはあまり明確ではなかった。当該年度は、おもに顕微ラマン分光を用いて振動特性を調べることで、そのメカニズムの解明を目指した。その結果、結晶へのインターカレーションとアモルファスへのインターカレーションでは特性が異なること、また全体の結晶性が振動特性の変化に影響を与えることが明らかとなった。ところで、本研究のアイデアでは熱伝導率の大きな物質を対象とすることで、オン時とオフ時の物性の変化が大きくなる。そこで、新たなホスト物質の探索としてBAsに注目した。この物質は、せん亜鉛構造をもつ物質で半導体でもある物質であるが、結晶構造の観点から比較的空隙が多く、インターカレーションできる可能性がある。さらに、近年非常に大きな熱伝導率を持つことが報告され注目されている。本年度はまずはこの物質を合成するために、薄膜成長実験を行った。しかしながら、最適な結晶成長条件を見出すのに困難を極めた。そこで成長条件を求めるために第一原理計算により成長条件の最適化を行った。その結果、結晶成長のための分圧の範囲を特定することができた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究においては、薄膜結晶成長手法を用いて基板上にホスト物質の結晶成長を行う。これまで合成を行ってきたが、装置の経年変化や部材交換などにより、装置の状態が変化してしまい、それに合わせた条件の再最適化に時間を要しており、ホスト物質の合成に手間取っている。そのため、デバイスの試作に至っていない。

今後の研究の推進方策

引き続き最適条件を見出すことをおこなっており、そのためにシミュレーションなどの活用も始めている。このままの進捗で実現できると確信している。