| 研究課題/領域番号 |
17H01069
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
竹延 大志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035)
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| 研究分担者 |
柳 和宏 首都大学東京, 理工学研究科, 教授 (30415757)
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | パイ電子材料 / 物性評価 / 素子作製 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、Internet of Things（IoT）に特化した革新的熱電変換デバイスを実現する。具体的には、高度にキャリア数制御されたファンデルワールス材料（有機材料・フラーレン・カーボンナノチューブ（SWCNT）・原子層材料）を用い、高性能と柔軟性・伸縮性の両立を目的する。本目的達成を最も効果的に導く戦略要素は以下の五項目に集約される。
①電解質を用いた広範囲かつ高度なキャリア密度制御、②キャリア密度制御と熱電変換特性評価の両立、③様々なファンデルワールス材料への本手法適用、④第一原理計算に基づくメカニズム解明、⑤柔軟性・伸縮性の導入
H29年度は、特に①・②・③に取り組み、以下を実現した。
①電解質を用いた広範囲かつ高度なキャリア密度制御：電子伝導体（半導体）―イオン伝導体（電解質）界面において、電気化学反応の前段階に形成される電気二重層を用いた電場による電荷密度制御を様々な材料へ適用する。H29年度は、単層カーボンナノチューブ、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子層物質、導電性高分子材料および有機低分子単結晶材料への本手法適用に成功した。
②キャリア密度制御と熱電変換特性評価の両立：本研究提案の根幹となる着眼点は、電気二重層に蓄積された電荷により電子伝導体（半導体）の熱電変換特性が変化する様子の、その場観測である。H29年度は、新たな測定装置の構築に成功し、電解質を用いてキャリア密度制御した電子伝導体に二つの電極をつけ、電極間の電気伝導度と熱起電力の測定に成功した。
③様々なファンデルワールス材料への本手法適用： 電気二重層を用いたキャリア密度制御技術をSWCNT・原子層材料・PBTTTなどに適用する。具体的には、単層カーボンナノチューブ、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子層物質、導電性高分子材料への本手法適用に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究は、Internet of Things（IoT）に特化した革新的熱電変換デバイスを実現する。具体的には、高度にキャリア数制御されたファンデルワールス材料（有機材料・フラーレン・カーボンナノチューブ（SWCNT）・原子層材料）を用い、高性能と柔軟性・伸縮性の両立を目的する。H29年度は、特に①電解質を用いた広範囲かつ高度なキャリア密度制御方法の確立、子伝導体および②電気二重層に蓄積された電荷により電子伝導体（半導体）の熱電変換特性が変化する様子の、その場観測方法の確立、という当初の目的を十分に達成できた。最終的には、電気二重層を用いたキャリア密度制御技術をSWCNT・原子層材料・PBTTTに代表される高分子材料などに適用し、当初の対象物質のほとんどに対する実験を成功した。その結果、単に測定に成功しただけでなく、特に高分子材料では今まで知られていなかったゼーベック係数と伝導度における相関を見出した。これは研究計画段階では想定されなかった成果であり、予想以上の成果があがっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、これまでに確立した実験手法を、さらに様々な材料に拡張するだけでなく、当初の予定であった④第一原理計算に基づくメカニズム解明と⑤柔軟性・伸縮性の導入に着手する。具体的には、第一原理計算に基づくバンド計算結果を金属のゼーベック効果を記述するMottの式を用いて実験結果と比較する。並行して、半導体・電解質界面におけるイオンの振る舞いや電場によるバンド構造の変調を明らかにし、本系における熱電変換のメカニズムを多角的に検討する。その上で、ファンデルワールス材料における熱電変換原理の定量的理解及び物質設計指針を体系付ける。まずは、化学的なドーピング手法を用いたモデル計算から開始する予定である。また、今後２年間の間に、様々なファンデルワールス材料（SWCNT・原子層材料・フラーレン・DNTT誘導体・BTBT誘導体・DNBDT誘導体・PBTTT・P3HT・PEDOT）における熱電変換特性のキャリア密度依存性を解明した上で、プラスチック基板（ポリイミド）上および伸縮性基板（PDMS）上における熱電変換素子作製に挑戦する。
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