本章では，本研究の総括として，研究目的に対する結論と今後の課題を記述する．
4-1. 結論
本研究の目的に対する結論を以下に記す．
① 連続的なフェルミレベルの制御による熱電物性制御
先行研究では，バルクネットワーク試料に対する化学ドーピングによるキャリアドーピ ングやナノチューブ一本に対するバックゲーティングによる連続的なキャリアドーピング などが成されてきたが，これらの方法ではバルクネットワーク試料全体への連続的なキャ リアドーピングは不可能であった．しかし，本研究で用いた方法であるイオン液体による 電気二重層キャパシタを用いたキャリアドーピングにより，SWCNTバルクネットワーク試 料の全方位からフェルミレベルを連続的に制御することに成功した．これにより，直径1.4 nmの半導体型SWCNT，直径0.76 nmの(6,5) SWCNT，直径1.4 nmの金属型SWCNTのゼ ーベック係数及び電気伝導特性をn型から p型まで連続的に制御することに成功し，ゼー ベック係数にピーク構造が示されたことで最適なキャリア濃度の存在が明らかにされた．
また，直径1.4 nmの半導体型SWCNTのゼーベック係数のp型領域内のピークとn型領域 内のピークが，それぞれ，104 ± 19 μV/K，-68 ± 3 μV/K，(6,5) SWCNTのゼーベック係数の p型領域内のピークとn型領域内のピークが，それぞれ，95 ± 39 μV/K，-111 ± 49 μV/Kと大 きな値を持つことを明らかにし，熱電材料として大きなポテンシャルを持つことを示した．
また，パワーファクターの結果から，金属型SWCNTにおいても大きなZTが得られる可能 性があることを示した．
② カイラリティの異なる SWCNT における熱電物性変化の観測
直径 1.4 nmの半導体型 SWCNT，直径 0.76 nmの(6,5) SWCNT，直径 1.4 nmの金属型
SWCNTのゼーベック係数を測定し，比較することで，ゼーベック係数のピーク間のポテン
シャルギャップが SWCNT の一次元性に起因するバンドギャップ由来のものであることが 明らかにされた．また，SWCNTの直径が小さくなることでバンドギャップが広がり，ゼー ベック係数の極大値が得られる最適なキャリア濃度が増加することで，より大きなパワー ファクターが得られることを示した．
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4-2. 今後の課題
本研究を踏まえ，今後の課題を以下に記す．
① 一次元性熱電材料探索
本研究により，一次元性に由来する特異な熱電物性が明らかにされ，一次元物質が熱電 材料としての大きなポテンシャルを持つことが示された．これにより，一次元性を持つ新 たな熱電材料の探索が重要となった．
② 光熱電変換デバイスへの応用
カーボンナノチューブは目で見てわかる通り，可視光領域に広い吸収帯を持っている．
この広い吸収帯を活かし，光を吸収させて熱に変えることで，熱起電力を発生させるデバ イスへの応用が期待される．
③ キャリアドーピングの膜厚依存性
本研究の手法であるイオン液体によるキャリアドーピングでは，電気伝導特性において 明らかなヒステリシスが示された．これは，イオン液体内のアニオンとカチオンの径の違 いなどに起因し，SWCNT薄膜内へ浸透する際に生じるものだと考えられ，薄膜の膜厚がキ ャリアドーピングに影響を与えている可能性がある．
④ 測定デバイスの小型化
本研究の測定において，測定デバイスのチャネル長が長いため，熱起電力の測定が容易 ではなかった．そこで，測定デバイスを小型化することでチャネル間の電圧の安定化やバ イアス電圧の低電圧化が期待される．また，安定化により電気伝導率との同時測定が可能 となれば，ヒステリシスの影響によるチャネル電圧のズレを排除したパワーファクターが 求められる可能性がある．しかし，小型化による温度勾配への影響，測定ノイズレベルの 上昇，ノンドープ領域の拡大など悪影響が出る可能性もある．
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参考文献
[1] L. D. Hicks and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B, 47, 12727 (1993) [2] L. D. Hicks and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B, 47, 16631 (1993) [3] S. Iijima, T. Ichihashi, Nature, 363, 603-605 (1993).
[4] S. Iijima, Nature, 354, 56-58 (1991).
[5] フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会 編; “カーボンナノチューブ・グラフェン ハンドブック”, コロナ社, (2011).
[6] 齋藤理一郎・篠原久典 編; “カーボンナノチューブの基礎と応用”, 培風館, (2004).
[7] Jing Kong, Erhan Yenilmez, Thomas W. Tombler, Woong Kim, Hongjie Dai, Robert B.
Laughlin, Lei Liu, C. S. Jayanthi, and S. Y. Wu, Phys. Rev. Lett., 87, 106801 (2001).
[8] Z. K. Tang, Lingyun Zhang, N. Wang, X. X. Zhang, G. H. Wen, G. D. Li, J. N. Wang, C. T.
Chan and Ping Sheng, Science, 292, 2462 (2001).
[9] R. Lortz, Q. Zhang, W. Shi, J. T. Ye, C. Qiu, Z. Wang, H. He, P. Sheng, T. Qian, Z. Tang, N.
Wang, X. Zhang, J. Wang and C. T. Chan, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 106, 7299 (2009).
[10] M. C. Hersam, Nat. Nanotech., 3, 387-394 (2008).
[11] H. Liu, T. Tanaka and H. Kataura, Phys. Stat. Sol. B, 248, 2524 (2011).
[12] H. Liu, D. Nishide, T. Tanaka and H. Kataura, Nat. Commun., 2, 309 (2011).
[13] K. Moshammer, F. Hennrivh and M. M. Kappes, Nano Research, 2, 599-606 (2009).
[14] Y. Nakai, K. Honda, K. Yanagi, H. Kataura, T. Kato, T. Yamamoto and Y. Maniwa, Applied Physics Express, 7, 025103 (2014).
[15] Y. Nonoguchi, K. Ohashi, R. Kanazawa, K. Ashiba, K. Hata, T. Nakagawa, C. Adachi, T.
Tanase and T. Kawai, Sci. Rep., 3, 3344 (2013).
[16] J. Small, K. Perez and P. Kim, Phys. Rev. Lett., 91, 256801 (2003).
[17] S. Svensson, A. Persson, E. Hoffmann, N. Nkpathmkun, H. Nilsson, H. Xu, L. Samuelson and H. Linke, New J. of Phys., 14, 033041 (2012).
[18] Y.Tian, M. Sakr, J. Kinder, D. Liang, M. MacDonald, R. Qiu, H. Gao and X. Gao, Nano Lett., 12, 6492-6497 (2012).
[19] M.Llaguno, J. Fisher, A. Johnson and J. Hone, Nano Lett., 4, 45-49 (2004).
[20] P. Wu, , J. Gooth, , X. Zianni, S. Svensson, J. Gluschke, K. Dick, C. Thelander, K. Nielsch and H. Linke, Nano Lett., 13, 4080-4086 (2013).
[21] Y. Zuev, W. Chang and P. Kim, Phys. Rev. Lett., 102, 096807 (2009).
[22] J. Hone, I. Ellwood, M. Muno, A. Mizel, M. Cohen, A. Zettl, A. Rinzler and R. Smally, Phys.
Rev. Lett., 80, 1042 (1998).
[23] P. Kim, L. Shi, A. Majumdar and P. McEuen, Phys. Rev. Lett., 87, 215502 (2001).
- 62 -
[24] K. Yanagi, R. Moriya, Y. Yomogida, T. Takenobu, Y. Naitoh, T. Ishida, H. Kataura, K. Matsuda and Y. Maniwa, Adv. Mater., 23, 2811-2814 (2011).
[25] K. Yanagi, S. Kanda, Y. Oshima, Y. Kitamura, H. Kawai, T. Yamamoto, T. Takenobu, Y. Nakai and Y. Maniwa, Nano Lett., 14 (11), 6437 (2014).
[26] Y. Oshima, Y. Kitamura, Y. Maniwa and K. Yanagi, Appl. Phys. Lett., 107, 043106 (2015).
[27] G. Jeffrey Snyder and Eric S. Toberer, Nature Materials, 7, 105 - 114 (2008).
[28] R. Saito, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus; “Physical Properties of Carbon Nanotubes”, Imperial College Press, London, (1998).
[29] R. S. Prasher, X. J. Hu, Y. Chalopin, N. Mingo, K. Lofgreen, S. Volz, F. Cleri, and P. Keblinski, Phys. Rev. Lett., 102, 105901 (2009).
[30] J. Hone, M. Whitney, C. Piskoti and A. Zettl, Phys. Rev. B,59, R2514-R2516 (1999).
[31] 五十嵐透 修士論文; “電気二重層を用いたキャリア注入による単層カーボンナノチュー
ブの光吸収制御”, (2013).
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発表論文
[1] K. Yanagi, S. Kanda, Y. Oshima, Y. Kitamura, H. Kawai, T. Yamamoto, T. Takenobu, Y. Nakai and Y. Maniwa; “Tuning of the Thermoelectric Properties of One-Dimensional Material
Networks by Electric Double Layer Techniques Using Ionic Liquids”, Nano Lett., 14 (11), 6437 (2014).
[2] Y. Oshima, Y. Kitamura, Y. Maniwa and K. Yanagi; “Fabrication of thermoelectric devices using precisely Fermi level-tuned semiconducting single-wall carbon nanotubes”, Appl. Phys.
Lett., 107, 043106 (2015).
学会等発表リスト
(1) 大島 侑己, 北村 典雅, 神田 翔平, 河合 英輝, 中井 祐介, 真庭 豊, 柳 和宏; “イオン 液体を用いた電気二重層キャリア注入による半導体型単層カーボンナノチューブの熱 電物性の制御”, 第 47 回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, (2014/9/3~5).
(2) Yuki Oshima, Yoshimasa Kitamura, Hideki Kawai , Kazuhiro Yanagi; “Fabrication of Thermoelectric devices using Fermi Level Tuned Semiconducting Single Wall Carbon Nanotubes”, The Global Human Resource Program Bridging across Physics and Chemistry(物理と化学で紡ぐグロバール人材育成プログラム), (2015/1/30).
(3) 大島 侑己, 北村 典雅, 神田 翔平, 河合 英輝, 中井 祐介, 真庭 豊, 柳 和宏; “電気二 重層キャリア注入により極性制御された半導体型単層カーボンナノチューブ熱電デバ イスの作製”, 第 48 回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, (2015/2/21~23).
(4) Yuki Oshima, Yoshimasa Kitamura, Hideki Kawai , Yutaka Maniwa, Kazuhiro Yanagi;
“Dependence of Thermoelectric Properties on Chiralities of Single Wall Carbon Nanotubes”,
MNC 2015(第28回マイクロプロセス・ナノテクノロジー国際会議), (2015/11/10~13).
＊(1)の発表にて「第 47 回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム 若手 奨励賞」を受賞