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ナノ材料と自己組織化

 物質の構造をナノスケールで制御すると新機能を創製でき、 エネルギー・環境、情報など、広範にイノベーションを起こすことができます。 当研究室はナノテクノロジーの基盤構築を目指しています。

 例えば、未来のクリーンエネルギーシステムを考えてみましょう。 太陽電池で大規模発電するには高純度シリコンの有効利用が鍵で、 薄膜状の単結晶製造でブレークスルーを目指しています。 光から電気を作る太陽電池、電気から光を得るディスプレイ・照明ともに、 光も電気も流す透明電極が重要で、 希少元素に頼る現状からカーボンナノチューブ・グラフェンによる脱却を図ります。 ナノチューブのシリコンナノ粒子とのハイブリッドはリチウムイオン電池を 高性能化して自動車を動かすのに有望です。 このように炭素とシリコンに元素を絞っても、広範にイノベーションを 起こせることがナノテクノロジーのインパクトで、 資源面でもサステナビリティーに欠かせません。

 ただ、原子・分子を人為的に操作していては、ナノ材料をマクロスケールに 製造できません。無数の原子・分子が自然に組み上がる自己組織化が不可欠です。 原子・分子の化学反応過程から、ナノ構造体、更に高次構造体の形成過程を 基礎的に理解するとともに、自由な発想で新しいプロセスを提案・開発しています。

カーボンナノチューブ合成

 単層カーボンナノチューブ(単層CNT)は、nmの細さとmmの長さを持つ特異な1次元材料です。 物理・理学分野により特異な性質が明らかにされ、多様な用途が提案されています。 一方で、極少量しか作れず金よりも高価、応用は進んでいません。 ものづくりでは化学・工学が主役、私たちは単層カーボンナノチューブの ミリメータースケール高速成長技術を開発、実用的な合成法の確立を目指しています。 詳細はこちらをご覧下さい。
  • 羅 ヌリ (D3): 電気導電・熱伝導応用に向けた稠密な多層CNT配列の合成
  • 山口 麻衣 (M2): 単層CNTの火炎合成
  • 大場 一哲 (M1): コロイド溶液からの浮遊担持触媒の創製とCNTの気相合成
  • 川端 孝祐 (M1): サブミリメータ長CNTの流動層合成とポリオレフィン気相重合技術の導入
  • 栗谷 匡明 (M1): アセチレンブラック上での秒スケールでのCNT合成と複合化
  • 杉野 裕亮 (M1): 塩溶液からの浮遊担持触媒の創製とCNTの気相合成
  • 高杉 周 (M1): cold-gas CVD法によるCNT各種前駆体の反応活性の検討
  • 中村 典義 (M1): アークCVD法による単層CNTの連続合成法開発
  • 吉原 悠 (M1): CNT垂直配向膜の構造制御と熱交換器応用
  • 蜂谷 宗一郎(B4): 長尺CNTの流動層合成と、CNTと支持体粒子の一括回収・分離
  • 岡田 翔平 (B3): 単層CNTの火炎合成
  • 小林 峻司 (B3): CNT垂直配向膜の構造制御と熱界面材料応用
  • 永井 款也 (B3): 一部を異種元素と置換した新規なCNTおよびグラフェンのCVD合成

世界トップクラスのSWCNT高速成長
高解像度版はこちら


流動層大量合成:動画はこちら

カーボンナノチューブ利用

 カーボンナノチューブは、良導性で引っ張りに強く熱・化学的に安定という無機材料の特徴と、 軽量で柔軟で塗布プロセスの適合性が高いという有機材料の特徴を併せ持ち、 かつ特異な1次元ナノ構造を併せ持ちます。 我々は、長尺なカーボンナノチューブの分散・印刷によるフレキシブルエレクトロニクスの汎用電極・ 配線の開発や、カーボンナノチューブスポンジと活物質の複合化による二次電池・電気化学キャパシタ 開発などを、デバイスの専門家と連携して進めています。
  • 白江 宏之 (M2): 低抵抗CNTフレキシブル膜のロスフリー作製プロセスの開発
  • 成林 美里 (M1): 電気化学キャパシタ応用に向けたCNTスポンジ-酸化マンガン複合電極の開発
  • 許 乃傲 (B4): 電気化学キャパシタ応用に向けたCNTスポンジ-酸化グラフェン複合電極の開発
  • 堀 圭佑 (B4): CNTスポンジ膜への硫黄包含によるリチウム硫黄電池正極の開発
  • 山田 亮 (B4): 印刷法によるCNTパターンの作製と電気特性評価
  • 葛原 颯己 (B3): 燃料電池に向けたCNTベース酸素還元触媒の開発
  • 宮寺 耕平 (B3): CNT集電体ベース・金属箔レス・キャパシタセルの開発
  • 山片 豪 (B3): Li二次電池に向けたCNT-遷移金属酸化物の複合正極開発

グラフェン

 グラフェンは原子一層からなる特異な二次元ナノ材料で、 優れた導電性・透明性・機械特性などを有し、多様な応用が期待されています。 しかし実用的な合成技術の開発は、未だこれからです。私たちは、電子デバイス応用で必要とされる基板上に直接グラフェンをパターン合成する技術や、 太陽電池やタッチパネルなどで要求される良質なグラフェンを低コスト合成する技術を開発しています。
  • 大川 朝陽 (M2): 実用的なグラフェンのCVD合成と転写技術の開発
  • 岸田 有理 (M1): エッチング析出法による薄層グラフェンの基板上直接形成
  • 山口 航太郎 (M1): 固相法によるグラフェンの基板上直接形成
  • 秋葉 祥恵 (B4): エッチング析出法による数層グラフェンの基板上直接形成と構造制御
  • 高畠 麻実 (B4): 電極・配線応用に向けたCNTおよびグラフェンのドーピングによる低抵抗化
  • 浜田 航綺 (B3): 基板上へのh-BN膜の直接合成
  • 南出 泰佑 (B3): Cuエピタキシャル膜の急速蒸着とグラフェンの精密合成

シリコン

 シリコンは半導体集積回路にて情報社会を支えています。 同時に、主流の太陽電池として、再生可能エネルギーの一翼を担っています。 更に、リチウムイオン電池の負極として最大の理論容量を持つ材料でもあります。 また、カーボンナノチューブの柔軟なネットワークなどとの複合化により、 軽量で柔軟なエネルギーデバイスを創製できると考えています。 私たちは、クリーンエネルギーの大規模普及への貢献を目標に、 珪素と炭素というありふれた元素を用いて良いモノを低コストで大規模に作るべく、 研究開発を進めています。
  • 李 重昊 (D3): リチウム二次電池に向けたシリコン系合金多孔質厚膜の急速蒸着と負極特性評価
  • 房 楠 (M2): リチウム二次電池に向けたシリコン多孔質厚膜の柔軟集電体上形成と負極特性評価
  • 山崎 悠平(M1): 急速蒸着とその場融液結晶化による大粒径結晶Si薄膜作製法の開発
  • 青井 慈喜 (B4): 銅薄膜の急速蒸着とリチウム二次電池電極応用
  • 小輪瀬 敬之 (B4): ガス中蒸発法によるシリコンナノ粒子の作製とリチウムイオン電池用3次元厚膜電極の開発
  • 村元 恵理 (B4): カーボンナノチューブ塗布型結晶シリコン太陽電池の構造要件と最適化
  • 森川 裕介 (B4): リチウム二次電池に向けたシリコン粒子膜の集電体上直接形成
  • 藤田 誠 (B3): 太陽電池用結晶Si薄膜の急速蒸着技術の開発
  • 本田 陽一郎 (B3): SiおよびAlの急速蒸着技術とLi二次電池応用
  • 渡邊 亮 (B3): Si-グラフェン太陽電池の開発

太陽電池用単結晶Si膜の1分蒸着と剥離


リチウムイオン電池用多孔質Si膜の1分蒸着

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過去の研究紹介

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早稲田大学 先進理工学部
応用化学科 野田研究室