Exploration of p-type semiconductor chimneys at seafloor based on microstructural analysis and thermoelectric characterization

基于微观结构分析和热电表征的海底 p 型半导体烟囱勘探

基本信息

批准号：
22K18723
负责人：
岡本敦
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、アクティブな海底熱水鉱床と東日本の黒鉱試料を収集し、その微細組織構造と半導体特性について調べた。研究協力者に依頼して、小笠原海域の海底熱水系のチムニー試料、および、秋田県花岡鉱山の黒鉱試料をそれぞれ数十点、準備することができた。さらに、8月に新青丸の研究航海に乗船する機会を得て、小笠原海域の明神礁カルデラの推進1000mの海底での熱水活動を観察し、その熱水および、チムニーを採取することに成功した。マイクロXRFスキャナを用いて、同心円状の黒鉱試料やチムニー試料についての元素マッピングをおこなった。その結果、チムニーでは大部分は閃亜鉛鉱がしめ、内側の壁には黄銅鉱ができていること、一番外側にはバライトに富むような系統的な変化があることがわかった。一方、長い年月が経って変化した黒鉱では、黄鉄鉱や黄銅鉱に富むような緻密な組織が観察された。半導体特性については、熱電特性を測定する装置を試行錯誤しながら開発し、10センチ程度の同心円状の累帯構造を持つチムニーや黒鉱試料の熱起電力を測定することに成功した。その結果、黄鉄鉱や黄銅鉱は熱起電力が測定でき、電子をキャリアとするn型であることが明らかになった。また、Asなどがドープされると一部の黄鉄鉱はp型になる可能性が示唆された。緻密な黒鉱が測定が容易であるのに対して、チムニーの閃亜鉛鉱などに富む領域では空隙が多く、電気抵抗が大きいことがわかった。このことは、チムニー形成過程において、熱勾配および、半導体鉱物の分布が変化して、熱起電力が特定の時期に発生する可能性を示唆している。

今年，我们从日本东部收集了活跃的海底热液矿床和黑矿石样本，并研究了它们的微观结构和半导体特性。在研究合作者的帮助下，我们从小笠原地区的海底热液系统中制备了数十个烟囱样本，并从秋田县的花冈矿制备了数十个黑矿石样本。此外，8月，我有机会登上新星丸号的考察船，决定在小笠原地区的明神礁破火山口下方1000m的海底观察热液活动，并成功收集热液和烟囱。使用微型 XRF 扫描仪对同心黑矿石样品和烟囱样品进行元素测绘。结果表明，烟囱主要由闪锌矿组成，内壁形成黄铜矿，最外层区域富含重晶石，发生系统变化。另一方面，在经过多年变化的黑色矿石中，观察到富含黄铁矿和黄铜矿的致密结构。关于半导体特性，我们通过反复试验开发了一种测量热电特性的装置，并成功测量了具有约10 cm同心带结构的烟囱和黑矿石样品的热电动势。结果表明，可以测量黄铁矿和黄铜矿的热电动势，并且它们是n型的，以电子为载流子。也有人提出，一些黄铁矿在掺杂As等后可能会变成p型。研究发现，虽然致密的黑色矿石易于测量，但富含烟囱闪锌矿的区域具有许多空隙和高电阻。这表明在烟囱形成过程中热梯度和半导体矿物的分布可能发生变化，导致在特定时间出现热电动势。