カーボンナノチューブを用いた熱デバイスに新たな設計指針

東京大学大学院工学系研究科の児玉高志 特任教授、スタンフォード大学機械工学専攻のKenneth E.Goodson教授、東京大学工学研究科、大西正人 特任研究員、志賀琢磨 助教授、嶋田行志 助教授、塩見淳一郎 准教授、名古屋大学理学研究科の篠原久典 教授らの研究グループが実施。

カーボンナノチューブは優れた電子的性質や熱伝導性を持つナノ材料。内部のナノスケールの空洞に様々な物質を内包させることでカーボンナノチューブ固有の物性を制御する研究が注目されている。

これまで、内包物質のカーボンナノチューブの電気的性質の変化を実証した研究は報告されいるが、熱物性に及ぼす影響に関してはナノスケールの実験試料に対する熱伝導計測が困難であることから、明らかにされていなかった。

研究グループは、ナノスケールの材料の熱伝導率（材料の熱の伝えやすさを表す物性値）を評価するために必要なサスペンション構造（下方基盤を除去して支持構造によって吊り上げられた構造）を効率よく製作することができる独自の微細加工技術を開発。

フラーレンを単層カーボンナノチューブへ内包させることで、熱伝導率の低下と熱起電力が同時に起こることを発見した。熱起電力とは、2種類の材料を両端で繋いだ閉回路において、両端に与えられた温度差に依存して生じる起電力のこと。

これらの物性変化が、内包させたフラーレンとの相互作用による単層カーボンナノチューブのひずみによって生じることを物理シミュレーションによって解明した。

研究グループは「今回の結果は、異なる内包材料を利用することでカーボンナノチューブの熱伝導性を柔軟に制御できる可能性を示している」と説明する。

カーボンナノチューブの優れた熱伝導性を利用した熱機能界面材料や熱電変換素子などの工学デバイスの材料設計や性能向上に貢献することが期待される。