2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of multiple thermodynamic measurements using imaging techniques
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19K22169
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中澤 康浩 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60222163)
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2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱容量測定 / 赤外線イメージング / 熱力学量 / 分子性化合物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、非接触な温度計測法である赤外線イメージング法を使って、分子性化合物を中心とした物質群の微小単結晶、微少量試料の熱容量測定、熱伝導、熱起電力などの総合的な熱測定開発を行うことを目的としている。従来型の熱容量測定の利点と非接触温度計測法のもつ利点を組み合わせ200 Kから室温以上の中低温域で、絶対値測定が困難な熱力学的な測定を新たな視点から進めることを目指して行く。
令和元年度は、本研究の遂行のために最も重要になる、赤外線イメージングによる非接触温度計測と極微チップ温度計による計測の整合性に関する評価実験を行い、現実の熱容量測定にむけた基礎データの獲得と、絶対値較正の手法の開発を進めた。また、試料を設置する極微熱測定セルの開発も進めた。まず、後者については、微小量の単結晶試料を想定した熱測定用セルと、超小型の薄肉Cu製の粉末試料に対するコンテナ型のセルを作成した。単結晶用セルはPt薄膜温度計の金属薄膜ステージであるAl2O3の台座をそのまま使い、リード線にはクロメル、ステンレス、Pt-Irの非銅系材料の材料を各種試しながら、熱浴と準断熱状態とするシステムとして構築した。コンテナ型セルについては内容量3.5×10-2ccの容器を作成し、交換ガスを入れ密閉する方法をとった。
次いで、温度計測手法の評価を行った。まず、測定に用いるPtチップ温度計の磁場中まで含めた較正を行った後、大気環境で赤外線のイメージングシステムでの温度の変化とチップ温度計で測定した場合との対比から、イメージング法の熱測定への補正の評価をおこなった。その結果、赤外線の温度計測も熱容量測定の併用は十分に可能であることが判明した。ついで、真空槽の窓材についても、Ge系、サファイア、ZnSeなどの材料評価を検討した結果、厚みが1mm, 2mmのGe材料でイメージング測定が可能であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目指すところは、熱的な測定が困難である室温付近の温度領域において新たな測定手法として温度変化の追跡を高感度で行える赤外線イメージングを用いる手法開発研究を行うことである。赤外線イメージングの相対的な感度の良さは、今年度の基礎データの取得によって十分に認識することが出来た。特に空間的な分布の高感度な検出と、熱勾配の研究には優れており、微小チップセンサーを利用した絶対値の較正と並行することによってその有用性は確認することができた。一方で、温度の揺らぎやノイズによる系統的な表示のシフトがあらわれ、その補正が必須であることが本年度の実験から確認された。ノイズに関しては、大気雰囲気での実験である点が原因の一つであると考えられ、真空容器内での実験に進めば、より問題の本質が見えてくるものと思われる。窓材等に関しても各種実験を行い、様々な材料、化合物の赤外領域での分光データを吟味した結果、高純度のGe材料が適当であることまで確認している。
これらを総合的に判断すると、全体の開発がほぼ計画通りに進んでいると判断できる。熱伝導度や熱起電力の測定についても基礎実験にすぐに進めることができ、定常法による温度の勾配についても定量的な評価が可能であるか判断が出来るものと思われる。ただし、イメージング計測は厚み方向に感度がないため、通常の定常法で測定する場合との対比が必要である。特に、分子性電荷移動塩や金属錯体の端結晶では定常法による測定結果も殆どなく、参照すべきデータに関しても検討が必要である。微小単結晶の定常法による絶対値測定の開発も必須であり、現在、イメージング測定と並行して進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の開発研究の成果をもとに、真空系の中に入れて断熱環境下での熱的測定実現のためのテストを進めるため、チェンバーの設計と熱浴部の温度変化を進める装置の開発を進める。極微試料ステージを線材の直径で数-10マイクロm 程度の極細線をリードワイヤーとして温度計、ヒーター用に使い、同時にこれらの線を用いてステージの方向を固定する。温度制御、輻射シールドの温度制御が可能なシステムの設計を行うことを次のステップとして試料温度の変化を追跡、追従する装置を作成する。このシステムの構築の後、それを用いて、真空環境下でのイメージング信号の安定性のテスト、加熱によって生じる温度変化のモニターを進める。測定の感度を評価し、目的の安定性が得られれば、断熱法、緩和法、あるいは交流加熱法によるヒーティング、緩和曲線等に必要な精度での温度変化のモニターが可能になるものと思われる。次いで、熱浴の温度の変化を±5mK以内に精密に制御し、熱輻射による熱量の逃げを極力抑える温度制御技術の開発を行う。一連の開発を通して、定量化した温度計測が断熱条件下で可能となり、熱力学量の絶対値の決定が可能となるような方向に進めて行く予定である。
熱伝導測定については、定常温度差から熱伝導度の絶対値の評価を行い測定の信用性と温度変化をさせた場合での熱伝導の温度依存性の測定を行う。標準試料を用いた絶対値測定の精度を評価し、もし、ずれがある場合に、熱系のシミュレ ーションと熱リーク補正法の確立を進める。装置の整備にあわせながら、各種の分子性化合物に対する測定にも順次着手していく。分子性の複合成分からなる電荷移動塩の各種の単結晶や、金属錯体のナノ構造体の単結晶を使って、熱容量の測定実現と物性研究に進めていく。
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| Causes of Carryover |
当該年度の使用計画のうち、センサーの購入、極細線の作成等については研究室現有のものと、他の予算を用いて進めている実験で導入したものを用いることができた。また窓材の購入についても現有のものでテストをすることができた。真空システムの作成などにつては次年度に行うことと液体ヘリウム等の寒剤の使用量が次年度増加すると予想されるため、その予算として残額を回すことができると研究が円滑に進むと考えている。
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| Remarks |
研究成果の一部は、大阪大学大学院理学研究科 附属熱・エントロピー科学研究センター発行の阪大化学熱学レポートに掲載している。
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