熱・電気伝導率の独立制御に向けた金属酸化物ナノ多孔体の細孔壁の精密制御

精确控制金属氧化物纳米多孔材料的孔壁，独立控制导热性和导电性

基本信息

批准号：
22K14481
负责人：
松野敬成
金额：
$ 3万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

熱電変換材料は熱から電気を直接回収でき、未利用エネルギーの活用手段として期待されているが、大気中で安定な酸化物系材料の実用に向けては特性の向上が必須である。材料へのナノ細孔の導入による熱伝導率の低減は熱電性能向上に向けた方法の一つとして知られているが、同時に生じる電気伝導率の低下が問題となる。これは結晶粒界でのキャリア散乱および高い空隙率による導電パスの減少が主な要因である。そこで本研究では、金属酸化物の熱伝導率を低減しつつ副次的な電気伝導率低下を抑制することを目的として細孔構造の精密制御を行う。金属酸化物ナノ多孔体を結晶成長させる、という新規なコンセプトに基づくアプローチにより結晶粒界の低減と細孔壁の厚さ、空隙率の制御を同時に実現することが期待でき、熱・電気伝導率測定によりナノ構造設計の有効性の実証を目指す。本年度は、酸化インジウムスズ(ITO)についてナノ構造制御と熱伝導特性の評価を行った。ITOは金属酸化物の中でも比較的導電性が高く物性測定・比較検討が容易と考えられるため、本研究のコンセプトを実証するための組成として選定した。球状シリカナノ粒子が規則的に集積したナノ多孔体中でITOを形成させ、塩基処理によってシリカを選択的に除去することでITOナノ多孔体を得た。シリカナノ粒子径を変化させることでITOナノ多孔体の細孔径・細孔壁の厚さを制御した。得られた試料を放電プラズマ焼結(SPS)することで焼結体を得て、その熱伝導率を測定した。その結果、細孔壁の厚さが一定以下になると熱伝導率の低減が頭打ちになる傾向が観測された。

热电转换材料可以直接从热量中回收电能，有望成为一种利用未使用能源的手段，但其性能的改进对于在大气中稳定的氧化物基材料的实际应用至关重要。通过在材料中引入纳米孔来降低热导率被认为是提高热电性能的一种方法，但同时电导率的降低也带来了问题。这主要是由于晶界处的载流子散射以及高孔隙率导致的导电路径的减少。因此，在本研究中，我们对孔隙结构进行精确控制，旨在降低金属氧化物的热导率，同时抑制电导率的二次下降。基于金属氧化物纳米多孔材料晶体生长的新概念的方法有望同时减少晶界并控制孔壁厚度和孔隙率，从而提高导热性和导电性，我们的目标是通过测量证明纳米结构设计的有效性。今年，我们评估了氧化铟锡（ITO）的纳米结构控制和导热性能。选择ITO作为成分来证明本研究的概念，因为它在金属氧化物中具有相对较高的电导率，并且被认为易于测量和比较其物理特性。 ITO纳米多孔材料是通过在其中规则聚集球形二氧化硅纳米粒子的纳米多孔材料中形成ITO，并使用碱处理选择性地除去二氧化硅而获得的。通过改变二氧化硅纳米粒子的直径来控制ITO纳米多孔材料的孔径和孔壁厚度。对得到的样品进行放电等离子烧结(SPS)，得到烧结体，测定其热导率。结果，观察到当孔壁的厚度变得低于一定水平时，热导率的降低趋于达到平台。