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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。
 反応器の三次元場を活用したCNTの量産技術の開発、 および基板上への直接合成による各種デバイス応用を進めています。
    (3次元合成)
  • 蜂谷 宗一郎 (M2): 長尺な単層CNTの流動層合成
  • 岡田 翔平 (M1): 単層CNTの火炎合成
  • 小川 凱也 (B4): 浮遊担持触媒によるCNTの気相連続合成
  • 並木 克也 (B4): 浮遊触媒CVD法による単層CNTおよび繊維状集合体の連続合成
  • 前田 陽平 (B4): カーボンナノ粒子・ナノチューブ複合体の気相連続合成プロセスの開発
  • 前田 里沙 (B4): セラミック粉末への触媒の湿式/乾式担持と長尺CNTの流動層合成
  • 吉田 昌広 (B4): セラミック粉末への触媒の湿式/乾式担持と長尺CNTの流動層合成
  • (2次元合成)
  • 高畠 麻実 (M2): CNT垂直配向膜のパターン合成、複合化と導電応用
  • 山田 亮 (M2): 高分子シートへの炭素繊維の高密度・垂直配向充填と熱界面材料応用
  • 小林 峻司 (M1): 銅箔両面上へのCNT垂直配向膜合成、構造制御と熱界面材料応用
  • 江戸 倫子 (B4): 二元系触媒のコンビナトリアル探索とCNTカイラリティ制御合成
  • 北川 紗映 (B4): 金属上CNT合成、集合形態の自己組織制御と、電子エミッタ応用
  • 佐藤 俊裕 (B4): Cold-gas CVD法による各種炭素源のCNT合成活性検討
  • 三浦 正太 (B4): Al上でのCNT合成、集合形態の簡易制御と伝熱応用

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

グラフェン・薄膜

 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。
 また、同様の薄膜は、CNTの分散・塗布により容易に作製できます。 フレキシブルエレクトロニクス応用に向け、CNT粉末を無駄なく薄膜化する技術も開発しています。
  • 白江 宏之 (D2): 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
  • 秋葉 祥恵 (M2): エッチング析出法による数層/多層グラフェンの基板上直接形成と構造制御
  • 永井 款也 (M1): CVD法によるグラフェンの精密制御合成
  • 浜田 航綺 (M1): CNTの乾式精製技術の開発
  • 大橋 慧 (B4): エッチング析出法によるグラフェン基板上直接合成と触媒金属検討

CNTの電池応用

 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CNTを分散・ろ過して投影面積の数千倍の表面積を内部に持つCNTスポンジ状薄膜を作製し、 その中に活物質を包含した革新的な二次電池・電気化学キャパシタ電極とセルを、デバイスの専門家と 連携して開発しています。
  • 許 乃傲 (M2): 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
  • 小輪瀬 敬之 (M2): ガス中蒸発法によるSiナノ粒子合成とCNT膜中包含によるLi二次電池用3次元厚膜負極開発
  • 堀 圭佑 (M2): 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
  • 葛原 颯己 (M1): 燃料電池に向けたCNTベース酸素還元触媒の開発
  • 山片 豪 (M1): Li二次電池に向けたCNT-遷移金属酸化物の複合正極開発
  • 富永 達也 (B4): 金属箔上へのCNT成長、集合構造制御と電池応用
  • 横尾 賢 (B4): CNTベース・金属箔レス全電池の開発

急速蒸着技術

 シリコンや各種金属薄膜は、広く現代社会を支えています。太陽電池や蓄電池などでも重要な構成要素ですが、 クリーンエネルギーデバイスの大規模普及には、簡易に高速に安価に作ることが重要です。
 蒸着技術は基礎研究では超高真空下でゆっくり丁寧に製膜する技術として使われていますが、 民生ではポテトチップス包装のアルミニウム蒸着のように高速で安価な技術が実用化しています。 蒸着源を融点より大幅に加熱することで、1 minで10 umといった高速製膜が可能になります。 太陽電池用の高結晶性シリコン膜、リチウム二次電池用の多孔質シリコン膜、二次電池・キャパシタでの 金属箔集電体などの製膜技術を開発しています。
  • 青井 慈喜 (M2): Cuの急速蒸着、CNTとの複合化とリチウム二次電池負極応用
  • 村元 恵理 (M2): CNT塗布型結晶Si太陽電池の簡易プロセスでの作製と性能向上
  • 藤田 誠 (M1): 太陽電池用結晶Si膜の急速蒸着と転写技術の開発
  • 本田 陽一郎 (M1): Alの急速蒸着、CNTとの複合化とリチウム二次電池正極・キャパシタ電極応用
  • 石嶋 直也 (B4): CNT塗布型・フレキシブルSi太陽電池の開発
  • 橋爪 裕太 (B4): 急速蒸着によるSi/金属/Si自立膜の作製とリチウム二次電池負極応用

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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早稲田大学 先進理工学部
応用化学科 野田研究室