奈良先端科学技術⼤学院⼤学 物質創成科学領域
有機固体素⼦科学研究室（中村研究室）
中村 雅⼀（奈良先端⼤）

補助員１名，院⽣７名が主に熱電関連の研究を⾏っています．

1. 奈良先端科学技術⼤学院⼤学について

奈良先端科学技術⼤学院⼤学（NAIST）は，バイオサ教員のバックグラウンドだけでなく，学⽣のバックグ

イエンス，情報科学，材料科学に特化した国⽴の独⽴⼤

ラウンドも多彩です．学部を持たないことから，我々の学院⼤学です．最先端の研究を推進し，その成果に基づ所属する物質創成科学領域には様々な学科を卒業した学

く⾼度な教育により⼈材を養成することを⽬的として，⽣が⼊学してきます．当研究室にも，化学・応⽤化学系，1991 年に誕⽣しました．アドミッションポリシーには，物理・応⽤物理系，電⼦⼯学系，機械⼯学系を卒業した「物事を論理的に考えることができ，⾃分の考えが的確学⽣がおり，互いに教え合ったり得意分野を持ち寄ってに表現できる⼒を持った⼈，旺盛な好奇⼼と何にでも挑協⼒したりしつつ学際的な研究を進めています．

戦する実⾏⼒を持った⼈」を望むと謳われており，異なる専⾨分野からの進学を積極的に受け⼊れています．そ3. 熱電研究の経緯と最近の研究トピックのため，年３回実施される前期課程⼊試では，⾯接によ

筆者の熱電に関する研究は，2002 年に偶然⾒つけた現る⼝頭試問が重視されています．

象に対する科学的な興味に端を発します．当時，有機薄教職員は約 700 ⼈（うち教員は約 200 名），学⽣は約膜トランジスタ中のキャリア輸送ボトルネックを研究す1000 ⼈しかいません．このような特殊な⼩規模⼤学です

るツールとして，原⼦間⼒顕微鏡ポテンショメトリから，最近流⾏りの⼤学ランキングには，なかなか顔を(AFMP)2) というナノスケール電位分布評価装置を開発出しません．しかし，例えば，教員あたりの科研費や総していました．その初期段階において，コンタクトモー論⽂数で規格化した⾼品質論⽂の数ドで⾛査された探針を通じて⾦薄膜上に成⻑させたテト1)などの，規模で規格化された指標では国内トップクラスであり，「量より質」ラ チ ア フ ル バ レ ン - テ ト ラ シ ア ノ キ ノ ジ メ タ ン (TTF-を特徴とする⼤学であると⾔えます．

TCNQ)の微結晶の電位分布を測定する実験を⾏っていました．TTF-TCNQ は室温では電⼦帯構造的に⾦属であり，両者が接していれば等電位になるはずです．とこ2. 有機固体素⼦科学研究室について

当研究室は，本来有機エレクトロニクスの研究室です．

ろが，⾦と TTF-TCNQ との間に 100 mV ほどの電位差

しかし，研究室名に電⼦もエレクトロニクスも⼊れなかが再現性よく観測されたのです．

ったのは，将来電流を流さない「デバイス」も研究対象

この謎の電位差は，その後探針を間⽋的に表⾯に当てになると暗に考えていたからかもしれません．

るタッピングモード⾛査にすることで観測されなくなり，研究室を構成する教員は，筆者（応⽤物理）の他，辨完成した AFMP を使って有機多結晶薄膜中のキャリア

天宏明准教授（⾼分⼦化学），⼩島広孝助教（分⼦科学），輸送に関する研究を進めていったのですが，謎の電位のJung Ming-Cherl 特任助教（表⾯物理）という多様なメことはずっと頭に引っかかっていました．2007 年ごろ，ンバーです．いずれも，ものづくりと⾔うより計測・評

次に取り組むべきテーマを考えていたときにこれを思い価を基軸とした研究者で，独⾃に構築した評価装置を使出し，「もしかすると，有機導電性材料はとんでもなく⼤って研究テーマごとに基礎的なところを押さえることをきい熱起電⼒をもっているのではないか?」と考え，それ重視していますが，応⽤指向は忘れず，デバイス作製まを調べる研究に取りかかったのです．

で⾏うことが特徴です．⼤きく分けて，ポリマー太陽電

まず，微量しか得られない⾼純度有機低分⼦材料を超池を研究するグループ，有機無機ハイブリッドペロブス

⾼真空中で蒸着して薄膜を作製し，その場で熱電特性をカイト材料の構造と物性を研究するグループ，そして，評価する装置を開発するところから始めました 3)（. 図 1）

有機系材料の熱電応⽤を研究するグループに分かれていこの装置は，きわめて⾼抵抗な試料でもゼーベック係数ます．このうち，今は熱電グループが最も⼤きな勢⼒にが計れるように設計されています．これを⽤いて，さまなっており，教員２名（中村，⼩島），研究員３名，技術

ざまな有機導体／半導体の熱電特性を網羅的に測定しま
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した．その結果，ドーピングされた有機半導体のゼーベ送と振動の輸送が同程度に遅いことです．分⼦性固体でック係数やその導電率との関係はよく知られた理論に従の熱輸送は不明な点も多く，振動伝搬の⾯でも現象の理い，その限りではトップレベルの無機熱電材料にせまる解を進めてゆきたいと考えています．なお，⾼抵抗試料ZT 値は得られそうにないという事実に突き当たりましのみで発現することから，物性物理学的には⾯⽩くてもた．

実⽤性はないのではないかと思われるかもしれません．
その問いへの答えとして，基礎研究段階でも ZT=0.01 相当の値が得られていることを申し添えておきます．
このような新熱電現象以外にも，前述の有機系材料の網羅的研究から興味をそそられた点がありました．それは，複数の物質相が混合した系において，電気伝導が⾦属的と思われる材料でも，⾦属的とは思えない⼤きなゼーベック係数が得られるケースが散⾒されることです．
ここから着想し，フレキシブルな導電性材料として魅⼒的なカーボンナノチューブ(CNT)の CNT/CNT 接合部に特殊な有機分⼦を接合させ，接合部によって電荷輸送

図 1 超⾼真空蒸着その場熱電特性評価装置と熱輸送を制御する研究を始めました．当時同僚であっこれにめげず，NAIST への移転後にも宝探しを継続した⼭下⼀郎⽒（現，⼤阪⼤学）と共同で，内部に無機半ました．その過程で 2002 年に⾒つけた謎の電位差は残導体粒⼦を内包させた「かご状タンパク質」に CNT へ念ながら熱電効果ではないことが判りましたが，代わりの親和性を持たせたものを⽤い，あらかじめ CNT にこに ⾼純度な C60 薄膜において，従来理論で理解不能なれを吸着させてから凝集体を形成することで CNT/コア巨⼤ゼーベック係数(> 100 mV/K)が出現することを発-シェル分⼦/CNT 接合を作り込み，導電率は低下させず⾒しましたに熱伝導を抑制し，ゼーベック係数は増加させることに

4)．試料抵抗約 1 TΩまでゼーベック係数が測定できる独⾃装置だからこそ発⾒された現象です．ま

成功しました 6)．（図 3）た，この巨⼤ゼーベック効果は多数の有機半導体において普遍的に⾒られ，温度依存性が⽐較的強いながらいずれも室温付近の温度で発現することも確認されました 5)．
この新現象の物理的起源はまだ解明途上ですが，分⼦性物質特有のポーラロン伝導と強い電⼦-格⼦相互作⽤を取り⼊れることで，ある程度説明できることが判っています．（図 2 ）

図 3 コア-シェル型分⼦接合を⽤いたカーボンナノチューブ凝集体における熱／キャリア輸送の制御

また，ウェアラブル熱電変換デバイスに要求される低熱伝導率，ミリメートルオーダーの厚さ，フレキシブル性という３つの要求を同時に満たすために，CNT を紡⽷し，それを布に縫い込む構造の熱電モジュールを提案し，実証してきました 7)．図 4 に，オープンキャンパスにおいて実演した布状熱電変換モジュールによる発電実験の
図 2 有機低分⼦半導体における巨⼤ゼーベック効果の写真を⽰します．注⽬して頂きたいのは，モジュールの機構概念図

裏⾯に冷却板を⽤いておらず，机の天板に直接置いている点です．モジュールの熱コンダクタンスが⼩さいから今興味を持っている点は，このような系では電荷の輸こそできる芸当です．

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ーボン系材料の広範囲熱伝導率制御」，JPMJCR18I3）
が，2018 年 10 ⽉にスタートし，⼭下⽒とともに研究を展開しています．
以上のように，元々有機物質中の電荷輸送が研究の中⼼であったところ，熱電効果，さらには，フォノンによる熱輸送にまで研究の対象が移りつつあります．いずれも，応⽤⾯だけでなく物理的にも興味深い現象がまだまだ隠れていると思います．これからも，独⾃の評価装置を武器に，メンバーや学⽣たちと共にそれらを⾒つけてゆきたいと考えています．

参考⽂献

1) https://www.natureindex.com/supplements/natureindex-2018-japan/tables/academic2) Nakamura M., Goto N., Ohashi N., Sakai M., Kudo K.:Appl. Phys. Lett. 86 , 122112(2005).

図 4 布状熱電変換モジュールの出力電圧をブルートゥ

3) Nakamura M., Hoshi A., Sakai M., Kudo K.: Mater. Res.

ース経由でスマートフォンに表示させるデモンストレ

Soc. Symp. Proc. 1197 , D09.07(2010).

ーション（ 2018 NAIST オープンキャンパスにて）

4) Kojima H., Abe R., Ito M., Tomatsu Y., Fujiwara F.,
Matsubara R., Yoshimoto N., Nakamura M.: Appl. Phys.

この研究から，さらに派⽣テーマが⽣まれています．

Express 8 , 121301(2015).

真空中に懸架された細線に対する 3ω法による熱伝導率評価装置を構築し，まずはタンパク質接合を含まない

5) Kojima H., Abe R., Fujiwara F., Nakagawa M.,

CNT 紡績⽷の熱伝導率を評価していたところ，⾦属線

Takahashi K., Kuzuhara D., Yamada H., Yakiyama Y.,と同等以上の熱伝導率が得られるケースが⾒いだされた

Sakurai H., Yamamoto T., Yakushiji H., Ikeda M., andのです．添加する有機物の種類によって⼤きく熱伝導率

Nakamura M.: Mater. Chem. Front. 2 , 1276 (2018).

が変化することから，凝集体における熱伝導率低下要因

6) Ito M., Okamoto N., Abe R., Kojima H., Matsubara R.,となっている CNT/CNT 接合部あるいはバンドル部がYamashita I., and Nakamura M.: Appl. Phys. Express 7 ,有機物によって変化していると考えています．前述のタ065102 (2014).

ンパク質分⼦接合による低熱伝導率化と平⾏して，この

7) Ito M., Koizumi T., Kojima H., Saito T., and Nakamura
M.: J. Mater. Chem. A 5 , 12068 (2017).

現象を解明して CNT 凝集体の⾼熱伝導率化も狙う
CREST プロジェクト（課題名「分⼦接合によるナノカ3