2015 Fiscal Year Research-status Report

フレキシブル熱電変換素子用ソフトマテリアルの分子設計指針の探索

Research Project

Project/Area Number	15K05609
Research Institution	Shimane University
Principal Investigator	山口勲島根大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (00272708)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords	熱電変換 / ゼーベック係数 / 電気伝導後 / ドーピング / キャリアー / 導電性高分子
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、高いゼーベック係数と電気伝導度を示すｐ型およびｎ型導電性高分子を適切な分子設計により合成し、それらの熱電変換材料としての機能を評価して、実用レベルのフレキシブル熱電変換素子用の基盤材料を創製のための分子設計指針を確立することを目的とする。熱電変換素子の性能は、性能指数(ZT)=S2σT/k　(S: ゼーベック係数, σ: 電気伝導度, T: 温度, k: 熱伝導率)で決定される。熱電変換材料として実用に供されるには、ZT＝1以上が必要とされている。ここで、正孔がキャリアの場合、ゼーベック係数Sはキャリア濃度(n)の1乗に反比例し、電子がキャリアの場合、Sはnの2/3乗に反比例する。電気伝導度(σ)は、nに比例するので、Sとσはトレードオフの関係にある。したがって、高い性能指数(ZT)を示すソフトマテリアルを創製するには、ドーピングによるキャリア発生量（ドーピングレベル）を制御して、ゼーベック係数と電気伝導度が最高になるよう最適化することが鍵となる。平成27年度は、ｐ型導電性高分子のドーピングレベルを制御すること、および空気中で安定なｎ-ドーピング特性をもつｎ型導電性高分子を合成することを目的として、以下の研究を行った。N-3-スルホプロピルアニリンとエチレンジオキシチオフェンの共重合において、両モノマーの仕込みを変えて4種類の共重合体を合成した。これらの共重合体では、スルホプロピルアニリンユニットの含有率が大きくなるにつれて、UV-visスペクトルにおけるバイポーラロンバンド由来の吸収が大きくなり、また電気伝導も高くなった。つまり、共重合体組成比をモノマー仕込みを変えることで制御することで、ドーピングレベルも制御できることがわかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ｐ型導電性高分子のドーピングレベルを制御することを目的として、N-3-スルホプロピルアニリンとエチレンジオキシチオフェンの仕込みを変えて4種類の共重合体を合成した。これらの共重合体では、組成比を制御することで、ドーピングレベルの制御が可能であることがわかった。
Strategy for Future Research Activity	平成28年度は、空気中で安定なｎ-ドーピング特性を示すｎ型導電性高分子の合成するために、側鎖にｎ型ドーパントカチオンを包接可能なクラウンエーテル環およびクリプタンド環をもつπ電子不足芳香環を合成し、これをモノマーとした共重合体反応により、ｎ型π共役高分子を合成する。
Causes of Carryover	当初、備品として購入予定であったロータリーエバポレーターが、他の予算で購入できたため。
Expenditure Plan for Carryover Budget	平成28年度に、消耗品購入費として使用する予定。