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2022 年度 実施状況報告書

グラフェン電子源を用いたホットエレクトロン注入による炭化水素燃料分解と水素製造

研究課題

研究課題/領域番号 22K18800
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

村上 勝久  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20403123)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
キーワードグラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / 電子放出 / 水素発生
研究実績の概要

本研究は、申請者がこれまで独自に開発してきた大気中・液体中で動作可能なグラフェン/酸化膜/半導体積層構造の超高効率平面型電子放出デバイス(グラフェン電子源)を用いて、分子との非弾性散乱の効果が高い10~30 eV帯のホットレクトロンを100mA/cm^2の高電流密度で室温常圧の液体材料やガス材料に直接注入した際の分子の分解・活性化・反応機構を解明し、電子の能動制御によって分子の分解・活性化を高精度で制御可能にする革新的な化学反応システムを構築することを目的としている。更に、提案する化学反応システムを用いて、エタノールなど炭化水素材料を原料とした二酸化炭素排出フリー水素発生機構の解明も試みる。
本年度はグラフェン電子源の酸素耐性向上に向けた酸素耐性保護膜の開発と、電子線による炭化水素燃料分解反応解明に向けた、液中電子線照射装置の開発を実施した。グラフェン電子源の酸素耐性保護膜材料には酸素耐性と高い電子透過性の両立が重要であり、これらの条件を満たす材料としてh-BNの酸素耐性と電子透過性を評価した。グラフェン電子源の電子放出面に転写法により単層h-BNを貼り付けて、酸素プラズマ照射前後での電子放出特性を評価したところ、酸素プラズマ照射後も動作することが分かった。また、電子放出効率も保護膜無しのグラフェン電子源と同等であり、高い電子透過性を有することがわかった。これらの成果をACS Omegaで発表した。液中電子線照射装置に関しては、多層グラフェンを用いた真空隔壁を開発し、隔壁を通して準大気圧中(10^-4Pa)に最大約80nAの電子線を注入可能であることを確認した。

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

グラフェン電子源のエタノール中での安定動作のために、h-BNを用いた酸素耐性保護膜を検討し、酸素耐性と高い電子透過性を両立できることを実証した。この成果をACS Omegaで発表した。また、低エネルギー電子線によるエタノール分解水素発生機構の解明に向けて、準大気圧中に安定して電子線を注入できる電子線照射装置の開発に成功し、目的の達成に向けて順調に進展している。

今後の研究の推進方策

h-BNを用いた酸素耐性保護膜に関して現状では転写法を用いているが、歩留まりや量産性を考慮して、CVDによる直接成膜技術の開発を行う。また、h-BN以外の保護膜についても検討する。エタノール分解水素発生機構の解明に関しては、今年度開発した液中電子線照射装置による液中への電子線注入を実施し、電子線によるエタノールの分解を試みる。

次年度使用額が生じた理由

液中電子線照射装置の開発において既設の実験装置の一部を流用することで、費用を節約することができた。節約分と翌年度分の費用を合わせることで、ガス分析装置の導入費用に充てて有効活用する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Low-Temperature Direct Synthesis of Multilayered h-BN without Catalysts by Inductively Coupled Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Masaya、Murata Hiromasa、Miyata Noriyuki、Takashima Hiroshi、Nagao Masayoshi、Mimura Hidenori、Neo Yoichiro、Murakami Katsuhisa
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8 ページ: 5497~5505

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06757

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Oxidation Resistance Improvement of Graphene-Oxide-Semiconductor Planar-Type Electron Sources Using h-BN as an Oxygen-Resistant, Electron-Transmissive Coating2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Naoyuki、Takao Yoshinori、Nagao Masayoshi、Murakami Katsuhisa
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 7 ページ: 33004~33009

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c02709

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] h-BNのSi基板上低温成膜技術の開発とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子放出デバイスへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 37-38

  • [雑誌論文] 液中動作用グラフェン平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 35-36

  • [雑誌論文] GIS構造電子源におけるグラフェンの電子透過のシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      若家冨士男、寺門大地、河嶋祥吾、阿保智、長尾昌善、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 29-30

  • [雑誌論文] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子源からの電子放出特性2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、村田博雅、長尾昌善、村上勝久
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 122 ページ: 59-61

  • [学会発表] Si基板上h-BN直接成膜技術とGraphene/h-BN構造を利用した平面型電子源の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Graphene/h-BN構造を用いた転写フリー平面型電子源の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Recent progress of planar type electron sources using 2D materials2022

    • 著者名/発表者名
      Katsuhisa Murakami
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Si基板上h-BN直接成膜技術とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] グラフェン平面電子源のエタノール中動作による水素発生2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Development of direct synthesis of h-BN on Si substrate and planar type electron emission device using graphene/h-BN/Si heterostructure2022

    • 著者名/発表者名
      Masaya Yamamoto, Hiromasa Murata, Masayoshi Nagao, Hidenori Mimura, Yoichiro Neo, Katsuhisa Murakami
    • 学会等名
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子放出素子の低真空下での動作2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] GIS構造電子源におけるグラフェンの電子透過のシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      若家冨士男、寺門大地、河嶋祥吾、阿保智、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
  • [学会発表] 液中動作用グラフェン平面電子源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久、村田博雅、長尾昌善
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
  • [学会発表] h-BNのSi基板上低温成膜技術の開発とgraphene/h-BN/Si積層型平面電子放出デバイスへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      山本将也、村田博雅、長尾昌善、三村秀典、根尾陽一郎、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
  • [学会発表] 原子層物質積層構造を用いた平面型電子放出デバイスの開発2022

    • 著者名/発表者名
      村上勝久
    • 学会等名
      応用物理学会ナノ荷電粒子ビーム産学連携委員会 2022年(令和4年)第2回研究会(招待講演)
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノ結晶シリコンを用いた平面型電子源からの電子放出特性2022

    • 著者名/発表者名
      嶋脇秀隆、村田博雅、長尾昌善、村上勝久
    • 学会等名
      電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
  • [備考] デバイス技術研究部門カスタムデバイスグループ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/d-tech/ja/teams/06_cdg/ja/index.html

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公開日: 2023-12-25  

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