2015 Fiscal Year Annual Research Report
非平衡状態下での分子振動とπ電子輸送との結合による巨大ゼーベック効果の理解と制御
Publicly Offered Research
| Project Area | pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions |
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| Project/Area Number |
15H01000
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
中村 雅一 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (80332568)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / 低分子集合体 / 巨大ゼーベック効果 / π電子輸送 / 震電相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表者は、高純度有機低分子材料において従来理論の予測上限値より100倍程度大きいゼーベック係数が現れることを見出した。この巨大ゼーベック効果には熱による分子振動が関与しており、キャリア流と非平衡状態下で分子振動が運ぶ熱流との間にπ電子系特有のカップリングが起こることが原因であると推測されている。そこで、π軌道形状などを系統的に変化させた様々な有機材料について熱電物性および熱物性の精密計測を行い、分子の構造と巨大ゼーベック効果との間の関係性を明らかにするとともに、分子動力学計算と物性理論をリンクさせることによって、現象の理解を進めることを目的とし、研究を進めてきた。
Ｈ２７年度は、π共役系の概形（特に縦横比）や側鎖の有無が異なる様々な分子について、熱電特性および構造の温度依存性を調べ、ほとんどのπ共役低分子固体において出現温度こそ異なるものの巨大なゼーベック係数が出現すること、ならびに、キャリア輸送方向の隣接π骨格間距離および温度の組み合わせに最適値があるらしいことを見出した。さらに、ポーラロン伝導の特徴を十分に取り入れてキャリア輸送を解析することで、従来理論を超える巨大ゼーベック係数が物性論的に説明し得ることを見出した。
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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
実験・理論両面において、巨大ゼーベック効果のメカニズム理解に着実に近づいている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度、一部の材料において確認されたゼーベック係数の隣接π骨格間距離および温度依存性をより明確にするために、様々なπ共役低分子固体の結晶構造／格子定数の温度依存性を温度可変二次元微小角入射X線回折法によって調べる。それと、ゼーベック係数の温度依存性から、ゼーベック係数と最も良い相関を示す構造パラメータを抽出し、さらに温度もパラメータとしてゼーベック係数の二次元マッピングを行う。
物性論的に巨大なゼーベック係数とその温度依存性を正しく説明するためには、材料に依存する複数の物性パラメータとその温度依存性が必要である。そのうちの一部は実験的に求めることが可能であることから、物性パラメータの温度依存性も取り入れた理論計算を試み、巨大ゼーベック効果に特有の大きな温度依存性を説明することを試みる。また、一部の物性パラメータは実験的に求めることが困難であることから、A03班杉本氏の協力を得て実験で用いた様々な分子における結晶状態での電子輸送パラメータを電子およびフォノンバンドの計算によって求める。さらに、分子固体に特徴的なキャリア輸送に伴う大きな再配向エネルギーも量子化学計算によって求め、材料ごとにゼーベック係数が異なることの定量的理解につなげる。
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Research Products
(24 results)
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[Presentation] 2D-GIXD Analysis of Small Organic Materials Exhibiting the Giant Seebeck Effect2016
Author(s)
M. Nakagawa, R. Abe, F. Fujiwara, H. Kojima, K. Takahashi, D. Kuzuhara, T. Oguri, M. Kikuchi, T. Watanabe, T. Koganezawa, H. Yamada, N. Yoshimoto, and M. Nakamura
Organizer
International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics (ICOT2016)
Place of Presentation
Kyoto-TERRSA Conference Center (Kyoto)
Year and Date
2016-01-18 – 2016-01-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] Universality of Giant Seebeck Effect in Organic Semiconductors: Impact of the Activation Energy of Electrical Conductivity2016
Author(s)
H Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, M. Nakagawa, M. Ito, K. Takahashi, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, D. Kuzuhara, H. Yamada, and M. Nakamura
Organizer
International Conference on Organic and Hybrid Thermoelectrics (ICOT2016)
Place of Presentation
Kyoto-TERRSA Conference Center (Kyoto)
Year and Date
2016-01-18 – 2016-01-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] 有機平板状低分子化合物における巨大ゼーベック効果2015
Author(s)
中川真理雄, 藤原史弥, 阿部 竜, 小島広孝, 高橋功太郎, 葛原大軌, 小栗貴文, 菊池 護, 渡辺 剛, 小金澤智之, 山田容子, 吉本則之, 中村雅一
Organizer
第12回薄膜材料デバイス研究会
Place of Presentation
龍谷大学響都ホール（京都市）
Year and Date
2015-10-30 – 2015-10-31
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[Presentation] 巨大ゼーベック効果を発現する有機低分子材料の探索：分子配向の効果2015
Author(s)
藤原史弥, 阿部 竜, 伊藤光洋, 高橋功太郎, 葛原大軌, 山田容子, 小栗 貴文, 菊池 護, 吉本 則之, 渡辺 剛, 小金澤 智之, 小島 広孝, 中村 雅一
Organizer
第76回応用物理学会秋季学術講演会
Place of Presentation
名古屋国際会議場（名古屋市）
Year and Date
2015-09-13 – 2015-09-16
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[Presentation] 温度変調に伴うキャリア伝導機構化を利用した新奇有熱電材料の探索（Ⅳ）：GIXDによる結晶構造の解析2015
Author(s)
阿部 竜, 藤原史弥, 伊藤光洋, 小島広孝, 高橋功太郎, 葛原大軌, 山田容子, 山本達也, 薬師寺秀典, 池田征明, 小栗貴文, 菊池護, 渡辺剛, 小金澤智之, 吉本則之, 中村雅一
Organizer
第76回応用物理学会秋季学術講演会
Place of Presentation
名古屋国際会議場（名古屋市）
Year and Date
2015-09-13 – 2015-09-16
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[Presentation] Universality of Giant Seebeck effect in organic semiconductors2015
Author(s)
H. Kojima, R. Abe, F. Fujiwara, K. Takahashi, M. Ito, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, and M. Nakamura
Organizer
34th Annual International Conference on Thermoelectrics (ITC2015)
Place of Presentation
Dresden (Germany)
Year and Date
2015-06-28 – 2015-07-02
Int'l Joint Research
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[Presentation] Irregularly large Seebeck coefficients and their temperature dependence observed in pure organic semiconducting materials”2015
Author(s)
R. Abe, K. Takahashi, M. Ito, F. Fujiwara, H. Kojima, R. Matsubara, D. Kuzuhara, H. Yamada, T. Yamamoto, H. Yakushiji, M. Ikeda, and M. Nakamura
Organizer
Eighth International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE8)
Place of Presentation
タワーホール船堀（東京）
Year and Date
2015-06-22 – 2015-06-24
Int'l Joint Research
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