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2014 年度 実施状況報告書

簡便な熱処理によるナノ構造の形態・形状制御と熱電発電への応用

研究課題

研究課題/領域番号 26420270
研究機関静岡大学

研究代表者

立岡 浩一  静岡大学, 工学研究科, 教授 (40197380)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードシリサイド / 金属酸化物 / 化学気相成長法 / 結晶成長 / ナノワイヤ / ナノ構造制御 / 熱電素子 / 自然エネルギー
研究実績の概要

1年目においては下記にあげる様々な種類のナノワイヤについて,形状制御およびポイントに着目して構造制御を実施した。
1.ナノワイヤバンドルの作製: CrCl2を用いた化学気相成長法(CVD)によりSi基板上にCrSi2ナノワイヤバンドル(束)及びCrSi2ナノワイヤアレイを作製した。Si基板温度とCrSi2蒸気圧(CrSi2ソース温度)のバランスを考慮し,中間生成物であるSiCl4粒子の生成密度を制御し,ワイヤ密度を制御した。CrCl2を原料とする以外にFeCl2, FeCl3, MgCl2の反応を試した。
2.ナノワイヤの断面形状の造り分け:MnCl2を用いたCVD法によりSi及びSi系ナノワイヤの断面形状の制御を行った。提唱しているナノ構造制御法VLSS(Vapor-Liquid-Solid-Solid)法をより発展させ,円形から側面数の少ない三角形のナノワイヤを作製できるプロセスを確立した。ソースとして金属ヨウ化物,珪素,第三の金属粉末Ni及びFeの混合物をソースとして用いSi基板上にSi或いはシリサイドナノ構造を堆積させた。
また,純金属或いは金属化合物を大気圧中または減圧中にて熱処理する事によりFe2O3, TiO2, Al2O3酸化物ナノワイヤ及びナノロッドを作製した。ナノワイヤ,ナノベルト(シート)の造り分けは,成長初期における金属原子の基板表面拡散の異方性を利用した。ナノベルト(シート)バンドルの作製にはスパークリングプラズマ焼結(SPS)法での作製手順を検討した。

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

1年目には応用のための基礎的な材料作製と形状制御・モルフォロジー制御を行った。ナノ構造作製においてはCrSi2ナノワイヤバンドルが高密度で作製された。これは中間生成物であり触媒となるSiCl4粒子の生成密度を高密度化できた事がポイントである。しかしながら現段階では応用には小さすぎさらに大型化が必要である。原料としてCrCl2の他にFeCl2, FeCl3, MgCl2の反応を試した。原料がFeCl3の場合,Feを含むナノワイヤバンドルが成長でき新しい有効な材料のひとつとなると期待される。しかしMgCl2は無限に存在する安全な原料であるところから是非とも応用に繋げたいと考えている。種々ソース材料の検討状況は当初の予定より進み今後の発展を期待している。
ナノワイヤの断面形状の造り分けは非常に順調に進んでいる。提唱しているナノ構造制御法VLSS(Vapor-Liquid-Solid-Solid)法をより発展させ,円形から側面数の少ない三角形のナノワイヤを作製できるプロセスを確立している。触媒が大きく影響している事は明らかであり実験的には実現・制御が可能であるが,成長過程の物理現象には未だ不明な点が多い。応用技術とともに基礎的な物理現象の解明も進めたい。他の制御法による試みも引き続き検討する予定である。
Fe2O3, TiO2, Al2O3酸化物ナノワイヤ及びナノロッドの作製についてはMgAl2O4を加え材料の酸化過程で相分離,成長異方性を利用したナノ構造作製を重点に進める事に至った。焼結法での作製においては2年目において主として進める予定である。触媒を利用した形状制御・モルフォロジー制御が先行しており全体としては順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

2年目にはこれらシリサイドナノ構造バンドルの電気的特性,熱電特性を評価し,3年目に最適化されたナノ構造を電極として用いた熱電発電機を試作する予定である。作製したナノ構造それぞれの,ホトルミネッセンス,カソードルミネッセンスを測定しナノ構造化による量子効果を検証する。ホール効果による電気特性評価,高温領域,低温領域でのゼーベック効果測定,導電率測定,顕微ラマン測定による微細構造変化の検証を行う。さらに,特に低次元物質がその集合体をつくる(バンドルになる)事による特性の改変を調べる。上記ナノ構造バンドルと同じ材料のバルクの特性も評価し両者を評価する事でナノ構造制御の効果を明らかにする。ナノ構造の形態,形状変化による諸特性への効果を調べる。熱電発電機電極への応用を目的として特に,ゼーベック効果測定,導電率測定,熱伝導率測定に着目し,高効率ZTが得られるようナノワイヤの形態・形状を最適化する。上記ナノ構造バンドルを電極として用いた熱電発電機の試作には実際の作製プロセスの簡便さ,素子とした時の特性を評価し,それぞれの材料,ナノ構造の長所,短所を明らかにする。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Synthesis and structural control of silicon and silicide nanowires/microrods using metal chloride sources2015

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Tatsuoka, Hiroaki Suzuki, Takanori Suzuki, Wen Li, Junhua Hu, Xiang Meng, and Erchao Meng
    • 雑誌名

      Jpn. J.Appl.Phys.

      巻: 54 ページ: 未定

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High power factor of Ga-doped compositionally homogeneous Si0.68Ge0.32 bulk crystal grown by the vertical temperature gradient freezing method2015

    • 著者名/発表者名
      Omprakash, Muthusamy; Arivanandhan, Mukannan; Koyama, Tadanobu; Momose, Yoshimi; Ikeda, Hiroya; Tatsuoka, Hirokazu; Aswal, Dinesh; Bhattacharya, Shovit; Okano, Yasunori ; Ozawa, Tetsuo; Inatomi, Yuko; Moorthy Babu, Sridharan; Hayakawa, Yasuhiro
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 15(3) ページ: 1380-1388

    • DOI

      10.1021/cg501776h

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The (011) Twin Structure Periodical in Monoclinic ZrO2 Nanofiber2014

    • 著者名/発表者名
      Qing Yang, Hirokazu Tatsuoka, Miyoko Tanaka
    • 雑誌名

      e-J. Surf. Sci. Nanotech

      巻: 12 ページ: 418-419

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1380/ejssnt.2014.418

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reactive vapor deposition and electrochemical performance of nano-structured magnesium silicide on silicon and silicon carbide substrates2014

    • 著者名/発表者名
      Peiling Yuan, Meng Wei, Zhenya Fu, Guosheng Shao, H. Tatsuoka, Junhua Hu
    • 雑誌名

      Materials Science in Semiconductor Processing

      巻: 27 ページ: 873-876

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2014.09.003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of Si-based nanosheets by extraction of Ca from CaSi2 layers on Si substrates2014

    • 著者名/発表者名
      Xiang MENG, Haruo IMAGAWA, Erchao MENG, Hiroaki SUZUKI, Yuya SHIRAHASHI, Kaito NAKANE, Hiroshi ITAHARA and Hirokazu TATSUOKA,
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 122(8) ページ: 618-621

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2109/jcersj2.122.618

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Growth of MnSi1.7 layers on MnSi substrate by molten salt method2014

    • 著者名/発表者名
      Wen Li, Daisuke Ishikawa, Junhua Hu and Hirokazu Tatsuoka
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: 43(6) ページ: 1487-1491

    • DOI

      10.1007/s11664-013-2744-3

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Dissolution and Growth Process of SiGe Alloy Semiconductor Based on Penetrated X- ray Intensities2014

    • 著者名/発表者名
      M.OMPRAKASH, M.ARIVANANDHAN, R.ARUN KUMAR, H.MORII, T.AOKI, T.KOYAMA, Y.MOMOSE, H.IKEDA, H.TATSUOKA, Y.OKANO, T.OZAWA, S.MOORTHY BABU, Y.INATOMI and Y.HAYAKAWA
    • 雑誌名

      Journal of alloys and compounds

      巻: 590 ページ: 96-101

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2013.12.093

    • 査読あり
  • [学会発表] Growth of CaSi2 layers on Si substrates induced by Kirkendall void formation2015

    • 著者名/発表者名
      Xiang Meng, Akiko Ueki, Haruo IMAGAWA, Hiroshi ITAHARA, Hirokazu Tatsuoka
    • 学会等名
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス,神奈川県平塚市北金目
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] Thermoelectric properties of compositionally homogeneous p and n-type SiGe bulk crystals2015

    • 著者名/発表者名
      Omprakash Muthusamy, Arivanandhan Mukannan, Tadanobu Koyama, Yoshimi Momose, Hiroya Ikeda, Hirokazu Tatsuoka, Yasunori Okano, Tetsuo Ozawa, Yuko Inatomi, Bhattacharya Shovit, Aswal Dinesh, MoorthyBabu Sridharan, Yasuhiro Hayakawa
    • 学会等名
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス,神奈川県平塚市北金目
    • 年月日
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [学会発表] MnCl2/SiをソースとしたSi系ナノ構造の作製2014

    • 著者名/発表者名
      立岡浩一,鈴木博明,孟祥
    • 学会等名
      第58回 日本学術会議材料工学連合講演会
    • 発表場所
      京都テルサ,京都市南区東九条下殿田町
    • 年月日
      2014-10-27 – 2014-10-28
  • [学会発表] Effect of impurity addition on shape modification of Si nanowires/microrods by using faceted silicide catalysts nucleated in Au-Si catalyst solution2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Suzuki, Erchao Meng, Xiang Meng, and Hirokazu Tatsuoka
    • 学会等名
      ICSS-Silicide 2014
    • 発表場所
      Tokyo University of Science,Katsushika Campus, Tokyo
    • 年月日
      2014-07-19 – 2014-07-21
  • [学会発表] Shape controlled growth of Si nanowires using MnCl2 and Si powder source and Au catalyst2014

    • 著者名/発表者名
      Erchao Meng, Xiang Meng, Hiroaki Suzuki and Hirokazu Tatsuoka
    • 学会等名
      ICSS-Silicide 2014
    • 発表場所
      Tokyo University of Science,Katsushika Campus, Tokyo
    • 年月日
      2014-07-19 – 2014-07-21
  • [学会発表] Substrate-Source distance dependence of morphological and structural properties of Si nanowires / microrods grown with Au catalyst using MnCl2 and Si powders2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Suzuki, Erchao Meng, Xiang Meng and Hirokazu Tatsuoka
    • 学会等名
      ICSS-Silicide 2014
    • 発表場所
      Tokyo University of Science,Katsushika Campus, Tokyo
    • 年月日
      2014-07-19 – 2014-07-21
  • [学会発表] Syntheses of silicide and silicon based nanostructures using metal chloride sources2014

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu TATSUOKA, Hiroaki SUZUKI, Wen LI, Junhua Hu, Erchao MENG and Xiang MENG
    • 学会等名
      ICSS-Silicide 2014
    • 発表場所
      Tokyo University of Science,Katsushika Campus, Tokyo
    • 年月日
      2014-07-19 – 2014-07-21
  • [学会発表] IP6 as a silver carrier agent and Ag nanostructure formation2014

    • 著者名/発表者名
      H. Tatsuoka, E. Meng, T. Kobayashi, M. Shimomura, W. Tomoda and K. Miyabayashi
    • 学会等名
      Japan Geoecience Union Meeting 2014
    • 発表場所
      パシフィコ横浜,神奈川県横浜市西区みなとみらい
    • 年月日
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [学会発表] Syntheses and morphological control of Si-based nanostructures using MnCl2 and Si powders as source materials2014

    • 著者名/発表者名
      Erchao Meng, Xiang Meng, Hiroaki Suzuki, Hirokazu Tatsuoka
    • 学会等名
      ISEMN 2014
    • 発表場所
      Wuhan, China
    • 年月日
      2014-04-18 – 2014-04-21
  • [学会発表] Shape modification of semiconductor and metal nano-structures by simple thermal treatment2014

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Tatsuoka, Xiang Meng, Hiroaki Suzuki and Erchao Meng
    • 学会等名
      ISEMN 2014
    • 発表場所
      Wuhan, China
    • 年月日
      2014-04-18 – 2014-04-21
    • 招待講演
  • [学会発表] Nano structured Mg2Si made by reactive deposition technique as anode material for lithium-ion batteries2014

    • 著者名/発表者名
      Peiling Yuan, Meng Wei, Guosheng Shao, Hirokazu Tatsuoka and Junhua Hu
    • 学会等名
      ISEMN 2014
    • 発表場所
      Wuhan, China
    • 年月日
      2014-04-18 – 2014-04-21
  • [図書] シリサイド系半導体の科学と技術ー 資源・環境時代のあたらしい半導体と関連物質2014

    • 著者名/発表者名
      前田佳均編著,
    • 総ページ数
      324
    • 出版者
      裳華房
  • [備考] Tatsuoka-Lab.

    • URL

      http://www.ipc.shizuoka.ac.jp/~tehtats/TatsuokaLab/Welcome.html

  • [備考] 国立大学法人 静岡大学教員データベース

    • URL

      https://tdb.shizuoka.ac.jp/RDB/public/Default2.aspx?id=10300&l=0

  • [備考] 静岡大学学術リポジトリ

    • URL

      http://ir.lib.shizuoka.ac.jp/simple-search?query=Tatsuoka+Hirokazu

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公開日: 2016-05-27  

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