サイズ選択近接昇華プロセスの開発と高機能水分解光電極への応用

尺寸选择性邻近升华工艺的开发及其在高性能水分解光电极中的应用

基本信息

批准号：
21K19033
负责人：
池田茂
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Konan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ケルビン式で表される毛細管内での気体の沸点が細孔外の沸点よりも低下することで生じる毛細管凝縮は、毛細管内の液体の表面張力から導かれる気相－液相間の平衡に適用される。一方、気相－固相間の平衡においても、毛細管内で昇華曲線の低圧側へのシフトは理論的に予測されている。本研究では、この昇華点降下現象を実験的に実証するとともに、この現象を活用することでナノ構造が制御された機能性材料・デバイスを開発することを目指す。ここでは、昇華性を有する化合物半導体である硫化スズ(II)（SnS）を、陽極酸化ポーラスアルミナ膜（APAM）のシリンダー型の規則性細孔内に選択充填させることで昇華点降下現象の原理を実証することを第一の研究目的とする。また、ほかの昇華性半導体（CdTeおよびZnTe）にも本手法を応用し、p型化合物半導体のナノ構造形成の新しい手法として確立する。さらに、得られるナノ構造を高機能水分解光カソードとして利用することを第二の目的とする。今年度は、第一の目的については均一に孔サイズが制御されたAPAMの形成を重点的に行った。その中で、細孔サイズ（直径）をサブミクロンサイズでサイズ均一に再現よく作製できるための実験条件を確立した。また、研究を実施している中で見出したフラックス処理によって単結晶化された酸化物半導体光触媒の高機能化（昨年度成果）についても研究を進め、ドーパント添加による表面形状の制御（表面にナノメートルサイズのステップが形成されること）とそれに起因して高効率な水分解反応が進行することを見出した。また、第二の目的の実証のため進めてきたp型化合物半導体薄膜による水分解水素発生について表面n型層の制御（ホモ接合形成、ドーパント添加等）による高効率化を達成した。

当毛细管内气体的沸点低于孔外沸点时发生的毛细管冷凝，用开尔文方程表示，应用于由表面张力导出的气相和液相之间的平衡完成毛细管内的液体。另一方面，即使在气相和固相之间达到平衡，理论上预测升华曲线也会向毛细管内的低压侧移动。在这项研究中，我们的目标是通过实验证明这种升华点凹陷现象，并利用这种现象开发具有受控纳米结构的功能材料和器件。在这里，我们介绍了通过将具有升华特性的化合物半导体锡(II)选择性地填充到阳极氧化多孔氧化铝膜(APAM)的规则圆柱孔中来实现升华点下降现象的原理，主要研究目标是。来证明这一点。我们还将将该方法应用于其他可升华半导体（CdTe 和 ZnTe），并将其确立为在 p 型化合物半导体中形成纳米结构的新方法。此外，第二个目标是利用所得的纳米结构作为高功能的水分解光电阴极。今年，我们的第一个目标是专注于形成孔径均匀控制的 APAM。在此过程中，我们建立了实验条件，使我们能够重复生产亚微米尺寸的均匀孔径（直径）。此外，我们还在研究中发现，通过助熔剂处理单晶化的氧化物半导体光催化剂的功能性得到改善（去年的结果发现形成了尺寸台阶）。由于该步骤，高效的水分解反应得以进行。此外，为了证明第二个目标，我们通过控制表面n型层（形成同质结、添加掺杂剂等），使用p型化合物半导体薄膜实现了水分解的高效率产氢。