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2022 年度 実績報告書

局在フォノンエネルギー準位と熱輸送特性の相関理解に基づく熱伝導制御デバイスの創出

研究課題

研究課題/領域番号 20H02459
研究機関東北大学

研究代表者

岡本 範彦  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60505692)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード熱伝導率 / フォノン
研究実績の概要

微小スケールで熱エネルギー輸送を制御するためには, 機械的駆動部を持たず簡便な方法で熱流を可逆的にオン/オフすることが可能な熱スイッチング機構が不可欠である.本研究では,ゲスト原子の局在フォノンエネルギー準位およびエネルギー分布と格子熱伝導率の相関を明らかにし,ゲスト原子を外場で操作することにより熱伝導率を飛躍的に変化させられる熱スイッチング材料の設計指針を得ることを目指した.一次元トンネル状骨格構造を有するイータ型鉄-アルミニウム系包接化合物は,ゲストアルミニウム原子の固体内拡散パスが存在し,ゲスト原子の脱挿入が容易であると考えられるためモデル材料として選定した.直方晶(001)面単結晶平板試料を作用電極として,サイクリックボルタンメトリー測定を行い,充電状態の試料表面および断面走査電子顕微鏡観察およびエネルギー分散X線分光元素分析を行ったところ,試料表面から数十μmの深さまでアルミニウム濃度が低く,またX線回折測定によってもゲストアルミニウム原子が脱離していることが示唆された.ゲスト原子の脱離に伴い熱拡散率が大幅に上昇する(熱スイッチON状態)ことを明らかにした.フォノン熱伝導の媒体である原子数が減少したにも関わらず,熱伝達が促進されたことは,包接化合物におけるゲスト原子ラトリング運動の熱伝導率低減効果が存在することを如実に表している.しかし,熱スイッチング特性のサイクル性(熱スイッチON⇔OFF)を実証すべく,アルミニウム原子の再挿入実験およびアルカリ金属元素に替えてゲスト原子再挿入実験および熱物性測定を行ったものの,逆に熱拡散率が上昇する結果が得られた.イータ型鉄-アルミニウム系化合物では,ゲスト原子の脱離反応は可能であっても挿入反応が困難であり,よりゲスト脱挿入性が高く,かつラトリング運動をする他の包接化合物系において,熱スイッチング特性を調査する必要がある.

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [学会発表] 水分子脱挿入に伴う吸発熱を利用した層状二酸化マンガン蓄熱材料2023

    • 著者名/発表者名
      岡本範彦, 畠山 拓也, 吉迫 大輝, 市坪 哲
    • 学会等名
      日本金属学会第172回春期講演大会
  • [学会発表] Cu2-δTe系化合物の低温規則相群の結晶構造解明と熱電特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      張宇陽, 岡本範彦, 市坪 哲
    • 学会等名
      日本金属学会第172回春期講演大会
  • [学会発表] Anisotropic Transport Properties in an Iron Aluminide Consisting of a Tunnel Framework Structure and Guest Aluminum Atoms2022

    • 著者名/発表者名
      Norihiko L. Okamoto, Kosuke Fujiwara, Tomoki Hayashi, Tetsu Ichitsubo
    • 学会等名
      SIPS2022, Mizutani Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 溶融亜鉛めっき鋼のめっきまま高力ボルト摩擦接合部のすべり挙動2022

    • 著者名/発表者名
      岡本範彦, 小林駿斗, 市坪哲
    • 学会等名
      第184回日本鉄鋼協会秋季講演大会
  • [学会発表] β型Ti合金の変形モード遷移を利用したα相析出と力学特性向上2022

    • 著者名/発表者名
      戸﨑烈, 阿部亮太, Martin Luckabauer, 岡本範彦, 市坪哲
    • 学会等名
      第171回日本金属学会秋期講演大会
  • [備考] 研究代表者個人ホームページ

    • URL

      https://nlokamoto.wordpress.com

  • [備考] 研究代表者所属研究室ホームページ

    • URL

      http://ilab.imr.tohoku.ac.jp

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公開日: 2023-12-25  

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