| 研究課題/領域番号 |
20K05342
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
藤井 武則 東京大学, 低温科学研究センター, 助教 (80361666)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 熱電変換 / 電気二重層コンデンサ / カーボンナノチューブ / イオン液体 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、電気二重層トランジスタ(EDLT)の手法を用いて、p型とn型の熱電変換材料の熱電特性を同時に最適化し、新しいコンセプトの熱電変換素子を作製することを目的とする。具体的には、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を用いて、電気二重層キャパシタ構造の熱電変換素子、および、厚さ方向の温度差を面方向に変換するトランスバース型の熱電変換素子の作製を行うが、室温で素子を利用するためには、電荷を蓄積した状態で、室温で固化する電解質を用いる必要がある。令和2年度は、室温以上に融点がある様々なイオン液体を用いて動作確認を行った。
1-エチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸塩(mp.58-62℃)、1,3-Diethoxyimidazolium hexafluorophosphate(mp.103 °C)、1-Butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate(mp.75-80℃)の3つのイオン液体を用いて、SWCNTに対してドレイン電流のゲート電圧による変化を観測した。これら3つのイオン液体はもともと固体であるが、100-150℃にすると液体となり、電界によってイオンが自由に動けるようになる。100-150℃では、通常EDLTに用いられるDEME-TFSIやTMPA-TFSIなどのイオン液体と同じようなゲート電圧依存性が観測され、P-型、N-型のキャリアを注入することが出来ることが確かめられた。しかし、これらのイオン液体を電界をかけたまま室温に戻しても、液体のまま固化せず、一旦室温以下に温度を下げなければ固化しない。
今後、さらに融点の高いイオン液体を用いて実験をする必要がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和2年度は、コロナの影響で、研究以外の業務が増えたため、なかなか研究時間が確保できなかったが、デバイス作製のための下研究および、室温以上での測定装置の開発を行うことが出来た。室温以上の融点を持つイオン液体の動作確認をするのと同時に、電極材料、ペーストなどの最適化を行うことが出来た。これまでは、電極を保護するために、シリコンシーラントを用いていたが、保護材料なしでも、数日間EDLT動作を行うことが出来ることが確認できた。実際に使用する際は、イオン液体を固化させるため、イオン液体と電極間の化学変化は起きないと思われる。保護材料を付けないで動作させることが出来ると、デバイスを作製する工程が大幅に削減でき、さらに、デバイスの小型化を行うのに有利である。今後は実際に素子の作製を行う。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度は、研究計画通り、デバイスの作製を行う。電気二重層キャパシタを応用した形状の熱電変換素子の作製は、SWCNTをガラス板に転写し電極として用いる。電解コンデンサ用のセパレータを挟み積層させ、素子の作製を行う。さらに集積度を上げるために、SWCNTをバインダーと混合し極薄のフィルム基板に塗布する方法も試みる。
トランスバース型熱電変換素子の作製は、p型とn型の熱電材料を直列に接合し、接合部にヒートガイドを付けることで縦方向の温度差を横方向に変換する構造となっている。令和2年度に確立した電極作製技術を用いてデバイスの集積化も行う。
室温動作するための電解質については、融点が158-160℃と非常に高い1-Butyl-4-methylpyridinium chloriを検討する。
EDLTを用いた導電性高分子およびそのSWCNTとの複合材料の熱電性能向上については、令和2年度にPEDOT:PSSを購入し、EDLTを試みたが、キャリアの制御はできなかった。また、CNTとPEDOT:PSSの複合材料においても大きな性能向上は見られなかった。そこで、令和3年度は、配合を様々に変えて最適化を図るとともに、PEDOT:PSSに変わる物質を探索する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初、簡易式のグローブボックスを購入する予定であったが、簡易式のグローブボックスでは性能を満たさないため、繰り越して購入しようと考えたが、簡易式ではないものは高額なので、購入をあきらめた。次年度は繰り越した助成金で、故障した温調器を購入する予定である。
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