JP2010261957A - 一次元材料の熱伝導率測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、一次元材料の熱伝導率測定装置及び測定方法に関する。
【解決手段】本発明の熱伝導率測定装置は、真空環境に配置された支持装置を備える。前記熱伝導率測定装置は、一次元の微小材料の熱伝導率を測定することに用いられ、前記支持装置は、基体と、四つの電極と、を含み、前記基体は、一つの溝部と、前記溝部の両側に位置する第一支持部及び第二支持部を含み、前記二の電極は、間隔をおいて前記基体の第一支持部に配置されていて、前記その他の二の電極は、間隔をおいて前記基体の第二支持部に配置されている。前記一次元の微小材料は、前記四つの電極を横切って跨るように、前記四つの電極に前記電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次元材料の熱伝導率測定装置及び測定方法に関するものである。

熱伝導率とは、ある物質について、熱の伝わりやすさを示す値のことである。一個の物質において温度差がある場合、温度の高い部分から低い部分へと熱の移動現象が生じる。この熱移動のおこりやすさが熱伝導率として表される。単位長（厚み）当たり１度の温度差がある場合に、単位時間で単位面積を移動する熱量が係数となる。具体的には、物質の両面に１度の温度差があるとき、１ｍ^２当たり１時間に伝わる熱量が熱伝導率として表現される。この熱伝導率の値が大きければ大きいほど、移動する熱量は大きく、熱が伝わりやすいことになる。熱伝導率は金属、ガラス、プラスチック、セメント、木質材など、材料の種類と密度によって異なる。即ち、熱伝導率は材料の熱の特性を反映する重要なパラメーターである。応用に適切な材料を選択することは熱電導技術の重要な問題であるので、正確的に材料の熱伝導率を測定することは、応用に適切な材料を選択することに対して重要な意味がある。

しかし、測定される材料が、カーボンナノチューブのような一次元のナノ材料である場合、熱伝導率を測定することが難しい。例えば、従来の接触式で該一次元のナノ材料の熱伝導率を測定する場合、前記一次元のナノ材料はナノサイズの微視体であり、温度検測探針は巨視体であり、且つ物体の熱容量が該物体の質量と正比例するので、前記温度検測探針が前記微視体の一次元のナノ材料の温度及び熱学状態に直接的に影響し得る。また、前記一次元のナノ材料の寸法が小さいので、該ナノ材料の各々の点の熱伝導率を測定することができないという課題がある。

従って、前記課題を解決するために、本発明は一次元のナノ材料の熱伝導率を精確に測定できる一次元ナノ材料の熱伝導率測定装置及び測定方法を提供する。

本発明の熱伝導率測定装置は、真空環境に配置された支持装置を備える。前記熱伝導率測定装置は、一次元の微小材料の熱伝導率を測定することに用いられる。前記支持装置は、基体と、第一電極と、第二電極と、第三電極と、第四電極と、を含み、前記基体は、一つの溝部と、前記溝部の両側に位置する第一支持部及び第二支持部を含む凹形構造を有する。前記第一電極及び第二電極は、間隔をおいて前記基体の第一支持部に配置されていて、前記第三電極及び第四電極は、間隔をおいて前記基体の第二支持部に配置されている。前記一次元の微小材料は、前記第一、第二、第三及び第四電極を横切って跨るように、前記四つの電極に電気的に接続されている。

本発明の一次元の微小材料の熱伝導率の測定方法は、一次元の微小材料を提供して、その横断面積を測定する第一ステップと、少なくとも四つの電極が間隔をおいて配置される支持装置を提供して、前記一次元の微小材料を、前記支持装置に前記四つの電極を横切って跨るように配置して、前記四つの電極の中間の二つの電極の間における前記一次元の微小材料の一部を懸架させる第二ステップと、前記一次元の微小材料の懸架される一部の長さを測定する第三ステップと、真空環境に前記四つの電極の両端の二つの電極によって、前記一次元の微小材料に電流を流入して、前記一次元の微小材料を昇温させて一つの熱平衡に到達させた後に、前記一次元の微小材料の電流を測定し、前記一次元の微小材料の懸架される一部の電圧を測定して、数式Ｐ＝ＵＩによって、前記一次元の微小材料の懸架される一部のその軸方向に沿って生じた熱出力Ｐを計算する第四ステップと、前記一次元の微小材料の懸架される一部の中心点及びいずれか一つの端点の温差を測定して、数式

によって、前記一次元の微小材料の熱伝導率を計算して得る第五ステップと、含む。

本発明の一次元のナノ材料の熱伝導率の測定方法は、従来の温度検測探針などの巨視体を用いず、一次元のナノ材料自身の温度を保持し、変化させない状態で測定を進行するので、一次元のナノ材料の熱伝導率を精確に測定できる。

本発明実施例１の一次元ナノ材料の熱伝導率測定装置の構造図である。 図１に示す一次元ナノ材料のラマンスペクトルの曲線図である。 図１に示す一次元ナノ材料のラマンスペクトルのＧプライムバンドと温度の間の関係を表す曲線図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本実施例の熱伝導率測定装置１は、測定目標２００の熱伝導率を測定するために使用される。前記測定目標２００は、一次元のナノメーターサイズ又はマイクロメートルサイズの材料からなる。前記一次元の材料は、ナノチューブ、ナノロッド、ナノワイヤー、ナノ繊維又はナノリボンであり得る。

前記熱伝導率測定装置１は、支持装置１０及び真空容器２０を含んでいる。前記支持装置１０は、真空容器２０の中に設置されている。前記真空容器２０は、石英又はガラスからなる。前記真空容器２０の中の真空度が１０^−４Ｔｏｒｒである。

前記支持装置１０は、基体１１と、第一絶縁層１２と、第二絶縁層１３と、第一電極１６と、第二電極１７と、第三電極１８と、第四電極１９と、を備える。前記基体１１には、一つの溝部１１２が設けられ、前記溝部１１２の対向する両側に第一支持部１１４及び第二支持部１１５が形成されている。前記溝部１１２は、前記基体１１の中心に位置する。前記第一絶縁層１２は、前記第一支持部１１４の上に配置されている。前記第二絶縁層１３は、前記第二支持部１１５の上に配置されている。前記第一絶縁層１２及び第二絶縁層１３は、例えばＳｉＯ_２のような電気／熱絶縁材料からなる。前記第一電極１６及び第二電極１７は間隔をおいて、前記第一絶縁層１２の前記第一支持部１１４に接触する表面の反対面に配置されている。前記第三電極１８及び第四電極１９は間隔をおいて、前記第二絶縁層１３の前記第二支持部１１５に接触する表面の反対面に配置されている。前記第一電極１６、第二電極１７、第三電極１８及び第四電極１９は、互いに平行し、且つモリブデン、プラチナ又はニッケルからなる。本実施例において、前記第一電極１６、第二電極１７、第三電極１８及び第四電極１９は、モリブデンからなる。

前記第一電極１６は、一つの電流計（図示せず）及び一つの電源（図示せず）を通じて前記第四電極１９に直列的に接続されている。前記第二電極１７は、一つの電圧計（図示せず）を通じて前記第三電極１８に直列的に接続されている。

前記測定目標２００は、前記第一電極１６、第二電極１７、第三電極１８及び第四電極１９を横切るように、これらの電極に電気的に接続される。即ち、一次元の直線形の前記測定目標２００の長軸に沿って対向する二つの端部に対して、一つの端部は前記第一電極１６及び第二電極１７に取り付けられ、もう一つの端部は前記第三電極１８及び第四電極１９に取り付けら、該二つの端部の一部は前記第二電極１７及び第三電極１８の間に懸架される。前記測定目標２００は、前記第一電極１６、第二電極１７、第三電極１８及び第四電極１９に垂直的に配置されている。前記第一電極１６及び第四電極１９の間に生じた電流が、前記第一電極１６によって前記測定目標２００に流入し、前記第四電極１９によって前記測定目標２００から流出する。

前記測定目標２００の懸架される一部の、前記第二電極１７及び第三電極１８に接触した点を、それぞれ点Ｌ_１及び点Ｌ_２として定義し、該点Ｌ_１及び点Ｌ_２の中間点を点Ｏとして定義することができる。

前記測定目標２００の熱伝導率ωを次の数式により計算することができる。

ここで、Ｐは前記測定目標２００の点Ｌ_１から点Ｌ_２までの部分の、前記測定目標２００の軸方向に沿って生じる熱（熱流量）、ΔＬは点Ｌ_１から点Ｌ_２までの距離（前記測定目標２００の懸架される一部の長さ）、Ｓは前記測定目標２００の横断面積、ΔＴは中心点Ｏから点Ｌ_１までの温度差又は中心点Ｏから点Ｌ_２までの温度差である。

前記測定目標２００の熱伝導率ωは、前記熱伝導率測定装置１によって測定される。以下、例えば前記測定目標２００が、一本の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）である場合について、その熱伝導率ωを計算する時に必要な各々のパラメータ（Ｐ、ΔＬ、Ｓ及びΔＴ）の測定方法について説明する。

前記ΔＬは、前記支持装置１０の第二電極１７及び第三電極１８の間の距離である。前記ΔＬは、走査型電子顕微鏡を使用して測定することができる。本実施例において、前記ΔＬは、３０μｍである。

前記Ｓを得ることには、前記単層カーボンナノチューブの横断面が環形を有するので、該単層カーボンナノチューブの外半径Ｒ及びその壁の厚さｂを測定することが必要である。該単層カーボンナノチューブ外半径Ｒは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定することができる。本実施例において、該単層カーボンナノチューブ外半径Ｒは１．８ｎｍである。該単層カーボンナノチューブの壁の厚さｂは定数であり、０．３４ｎｍである。前記環形を有する単層カーボンナノチューブの横断面の面積を次の数式により計算することができる。

Ｓ＝π（２Ｒ−ｂ）ｂ＝１．１０８４π（ｎｍ^２） （２）

ここで、Ｒは前記単層カーボンナノチューブの外半径、ｂは前記単層カーボンナノチューブの壁の厚さ、πは円周率である。

前記Ｐを得ることについて、前記測定目標２００に生じる総熱量は、周囲空気からの熱量、赤外線熱、及び前記測定目標２００に電流が流れて生じる熱の合計と等しい。本実施例において、前記測定目標２００を、高真空度を有する前記真空容器２０の中に位置させて測定するので、前記測定目標２００及び周囲空気の間の熱対流が無視できる。前記赤外線熱は、総熱量に比べて非常に小さいので無視できる。従って、前記測定目標２００に生じる総熱量は、前記測定目標２００に電流が流れて生じる熱量と等しいと見なされる。

Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｐ＝ＵＩ （３）

ここで、Ｕは前記測定目標２００の点Ｌ_１から点Ｌ_２までの一部の電圧、Ｉは前記測定目標２００に流れた電流である。

本実施例において、Ｐを計算することは次のステップを含んでいる。ステップ（Ａ）では、前記支持装置１０の第一電極１６、第二電極１７、第三電極１８及び第四電極１９を横切るように、測定目標２００を配置させる。ステップ（Ｂ）では、前記測定目標２００及び支持装置１０を、真空容器２０の中に置く。ステップ（Ｃ）では、前記第一電極１６及び第四電極１９を通じて、前記測定目標２００に電流を流入させ、前記測定目標２００自身の温度を上げる。ステップ（Ｄ）では、一つの電流計（図示せず）によって、前記測定目標２００に流入された電流を測定するが、前記測定目標２００としたＳＷＣＮＴの電流Ｉは、０．２９８マイクロアンペアである。ステップ（Ｅ）では、一つの電圧計（図示せず）によって、前記測定目標２００の点Ｌ_１から点Ｌ_２までの範囲における一部の電圧を測定するが、前記電圧は１．１７５ボルトである。ステップ（Ｆ）では、前記数式Ｐ＝ＵＩによって、前記測定目標２００の前記部分の、前記測定目標２００の軸方向に沿って生じた熱出力Ｐを計算するが、Ｐは、３．５×１０、７（Ｗ）である。

前記ステップ（Ａ）において、前記支持装置１０の前記四つの電極を横切るように、前記測定目標２００を配置させることは、前記支持装置１０の第一電極１６又は第四電極１９の外側の側方に一つの成長基板を提供して、且つそれらを併せて一つの反応室に置くサブステップ（Ａ１）と、触媒前駆体とした１０^−６〜１０^−５ｍｏｌ／Ｌの塩化第二鉄溶液を提供するサブステップ（Ａ２）と、６０−２００ｃｍ^３／ｍｉｎの速度で、前記反応室の中にＨ_２を含む保護ガスを導入して、前記塩化第二鉄溶液を９５０℃に加熱するサブステップ（Ａ３）と、前記反応室の内にカーボンを含むガスを導入して、前記支持装置１０の四つの電極の上にＳＷＣＮＴを成長させるサブステップ（Ａ４）と、を含む。

前記サブステップ（Ａ２）では、前記塩化第二鉄溶液の濃度が低いので、単一のＳＷＣＮＴが成長することができる。前記塩化第二鉄溶液の濃度が３×１０^−６ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。

前記サブステップ（Ａ３）では、保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

前記サブステップ（Ａ４）では、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。前記支持装置１０の四つの電極にそれぞれＳＷＣＮＴを成長させる場合、前記カーボンを含むガスの気流方向を制御して、ＳＷＣＮＴを前記支持装置１０の四つの電極に倒すように成長させることを実現できる。別個の支持体を利用しないので、気流の方向によって前記支持装置１０の四つの電極に前記ＳＷＣＮＴを倒すことが容易である。

前記ΔＴは、前記測定目標２００の中心点Ｏから点Ｌ１（Ｌ２）までの温度差であり、前記測定目標２００のラマンスペクトルのＧプライムバンドと温度の間の関係曲線の傾きＫ及び、前記測定目標２００の中心点Ｏ及び点Ｌ１（Ｌ２）の、ラマンスペクトルのＧプライムバンドの差によって、前記ΔＴは、次の数式により計算することができる。

ΔＴ＝ＫΔＧ （４）

本実施例において、前記測定目標２００は、ＳＷＣＮＴである。前記ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルのＧプライムバンドと温度の間の関係曲線が直線であるので、前記Ｋは直線の傾きである。

本実施例において、ΔＴを計算することは次のステップを含んでいる。

ステップ２１では、異なる温度で、前記測定目標２００の異なるラマンスペクトルのＧプライムバンドを獲得する。即ち、前記測定目標２００を配置した支持装置１０を、温度調節装置によって、所定温度までに昇温させる。この場合、前記測定目標２００の各々の点の温度が同じであるので、一つのラマン分光計を利用して、前記測定目標２００のいずれか一つの点にラマンレーザーを照射させて、前記ラマン分光計によって、前記測定目標２００の一つのラマンスペクトルのＧプライムバンドを得ることができる。前記方法により、異なる温度で、前記測定目標２００の異なるラマンスペクトルのＧプライムバンドを得る。

ステップ２２では、前記ステップ２１で得た異なるラマンスペクトルのＧプライムバンド数値と温度の間の関係を表す曲線を描画する。前記曲線を描画する方法は、線形回帰、非線形回帰又はＢスプライン基体関数などの数学方法を利用することができる。図２を参照すると、本実施例において、前記ステップ２１から得た異なるラマンスペクトルのＧプライムバンド数値と温度の間の関係を表す曲線は、図２に示す破線である。前記破線の傾きは、Ｋ＝−０．０２５７ｃｍ^−１／Ｋである。即ち、前記測定目標２００のラマンスペクトルのＧプライムバンド数値は、その温度と数式（４）の関係を有する。

ステップ２３では、前記支持装置１０に配置された前記測定目標２００を、温度調節装置によって昇温せず、前記支持装置１０の第一電極１６及び第四電極１９を通じて、前記測定目標２００に電流を流入させて昇温させて、一つの熱平衡に到達させる。熱平衡に達した前記測定目標２００は、安定な温度分布を有する。この場合、前記測定目標２００の中心点Ｏ及び点Ｌ１と点Ｌ２のいずれか一つの、ラマンスペクトルのＧプライムバンド数値を測定して比較する。前記中心点ＯのラマンスペクトルのＧプライムバンド数値をＧ１として定義し、点Ｌ１（又はＬ２）のラマンスペクトルのＧプライムバンド数値をＧ２として定義することができる。一つのラマン分光計を利用して、それから放射されたラマンレーザーを、前記測定目標２００の中心点Ｏに集中照射させる。これにより、前記ラマン分光計から図３に示す実線のような曲線図を提供する。該実線から、前記中心点ＯのラマンスペクトルのプライムバンドＧ１を読み取る。前記ラマン分光計の放射されたラマンレーザーを、前記測定目標２００の点Ｌ１（又は点Ｌ２）に集中照射させる。これにより、前記ラマン分光計から図３に示す破線のような曲線図を提供する。該破線から、前記点Ｌ１（又は点Ｌ２）のラマンスペクトルのプライムバンドＧ２を読み取る。前記ラマンレーザーの波長は５１４．５ｎｍであり、分解能力は１μｍである。前記Ｇ１及びＧ２を得ることを３回以上行って、前記３回以上の測定結果の平均値を用いて、ΔＧを得ることができる。本実施例において、ΔＧ＝−１０．１ｃｍ^−１である。

ステップ２４では、ステップ２２から得た前記測定目標２００のラマンスペクトルのＧプライムバンド数値が、その温度と数式（４）の関係を有することにより、前記測定目標２００の中心点Ｏから点Ｌ１までの温度差又は中心点Ｏから点Ｌ２までの温度差を計算する。本実施例において、ΔＴ＝ＫΔＧ＝（１０．１ｃｍ^−１）（０．０２５７ｃｍ^−１／Ｋ）＝３９３Ｋである。

本実施例において、前記ＳＷＣＮＴのＰ＝ＵＩ＝３．５×１０^−７Ｗ、Ｌ＝３０μｍ、Ｓ＝π（２Ｒ−ｂ）ｂ＝１．１０８４π及びΔＴ＝３９３Ｋであるので、その熱伝導率ωは２４００Ｗ／ｍＫである。

１ 熱伝導率測定装置
１０ 支持装置
１１ 基体
１２ 第一絶縁層
１３ 第二絶縁層
１６ 第一電極
１７ 第二電極
１８ 第三電極
１９ 第四電極
２０ 真空容器
１１２ 溝部
１１４ 第一支持部
１１５ 第二支持部
２００ 測定目標

Claims (2)

1. 真空環境に配置された支持装置を備える熱伝導率測定装置であって、
   前記熱伝導率測定装置は、一次元の微小材料の熱伝導率を測定することに用いられ、
   前記支持装置は、基体と、第一電極と、第二電極と、第三電極と、第四電極と、を含み、
   前記基体は、一つの溝部と、前記溝部の両側に位置する第一支持部及び第二支持部を含む凹形構造を有し、
   前記第一電極及び第二電極は、間隔をおいて前記基体の第一支持部に配置されていて、
   前記第三電極及び第四電極は、間隔をおいて前記基体の第二支持部に配置されていて、
   前記一次元の微小材料は、前記第一、第二、第三及び第四電極を横切って跨るように、前記四つの電極に電気的に接続されていることを特徴とする一次元の微小材料の熱伝導率測定装置。
2. 一次元の微小材料を提供して、その横断面積を測定する第一ステップと、
   少なくとも四つの電極が間隔をおいて配置される支持装置を提供して、前記一次元の微小材料を、前記支持装置に前記四つの電極を横切って跨るように配置して、前記四つの電極の中間の二つの電極の間における前記一次元の微小材料の一部を懸架させる第二ステップと、
   前記一次元の微小材料の懸架される一部の長さを測定する第三ステップと、
   真空環境において、前記四つの電極の両端の二つの電極によって、前記一次元の微小材料に電流を流入して、前記一次元の微小材料を昇温させて一つの熱平衡に到達させた後に、前記一次元の微小材料の電流を測定し、前記一次元の微小材料の懸架される一部の電圧を測定して、数式Ｐ＝ＵＩによって、前記一次元の微小材料の懸架される一部の、その軸方向に沿って生じた熱出力Ｐを計算する第四ステップと、
   前記一次元の微小材料の懸架される一部の中心点及びいずれか一つの端点の温差を測定して、数式
   

   

   によって、前記一次元の微小材料の熱伝導率を計算して得る第五ステップと、
   含むことを特徴とする一次元の微小材料の熱伝導率の測定方法。

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