2016 Fiscal Year Annual Research Report
High performance Si thermoelectric material design based on phonon-carrier wave control in novel heteronanostructures
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16H02078
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中村 芳明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60345105)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 伸也 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70239614)
藤田 武志 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (90363382)
澤野 憲太郎 東京都市大学, 工学部, 教授 (90409376)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノ構造物性 / 熱電材料 / 二次元電子ガス / エピタキシャル成長 / シリコン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、キャリアとフォノンが感じるポテンシャルの違いを利用して、キャリアには二次元量子閉じ込め効果構造、フォノンにはナノスケール散乱体として働く新規ナノ構造を開発することにある。本研究では、まず、2DEG-PGEC構造の開発を目指した、そのためには、デルタドーピング可能な用に成長チャンバーを改造する必要があり、まず、それを行った。SbやPなどを予定していたが、ドーピングの扱いやすさ等を検討した結果、Gaを用いることにした。
成長チャンバーの改造終了後、成長を行った。デルタ―ドーピング前の超格子及び、エピタキシャルＧｅ薄膜/Siの熱電特性が明らかにされていないという事実を踏まえて、SiGe/Si超格子、エピタキシャルGe薄膜/Siの熱電特性を調べることを行った。まず、Ge薄膜にGaをドーピングしたがＬＳＩ分野の研究報告より、電気特性は、結晶性、すなわち成長方法により強く依存することがわかっている。しかし、熱電特性では、まったくその依存性の報告がない。そこで、２段階成長ＭＢＥ法、ＭＢＥ法、ＳＰＥ法など様々な手法で成長したＧｅ薄膜の熱電特性を明らかにした。結果、結晶性がよく電気移動度が高いものが熱電特性も高くなるということがわかった。
次に、SiGe/Si超格子を作製し、イオン注入でドーピングした試料を用意した。その、電気特性、ゼーベック係数、熱伝導率を測定した。エピタキシャルＧｅ薄膜、及び、ＳｉＧｅ/Ｓｉ超格子の熱電特性を明らかにできたため、来年度は、２ＤＥＧ構造、あるいは歪による高移動度構造の熱電特性評価へと進めることができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2ＤＥＧ成長は、澤野教授と共同で形成している。また、この原理の性能向上の基準となるのは、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＧｅ薄膜の特性である。しかし、このようなありふれた材料であるのに、熱電特性に関しては調べられていない。その作製方法・結晶性に強く依存すると考えられ、今年度の研究により、熱電特性の作製方法依存性が明らかになった。そこで得た知見は、本材料系では、ゼーベック係数より移動度が熱電特性に大きな影響を与えていることが分かった。これを、2DEGを作りこまなくても、高移動度歪Geで熱電性能の増大が期待できることを意味する。このように、２ＤＥＧは成長に取り組んでいる段階であるが、歪Ｇｅで実験可能という今後研究のスピードが大きく上がる結果を得たため。
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| Strategy for Future Research Activity |
上で記載したように本Ｇｅ/Ｓｉ系では、ゼーベック係数より移動度が熱電特性に大きな影響を与えていることが分かった。これは、2DEGを作りこむという困難を避けて、比較的容易に作製できる高移動度歪Ge薄膜でも、熱電性能の増大が期待できることを意味する。今後、研究の方針を高移動度化に着目して、ナノドット/高移動度積層構造に取り組んでいく方針である。
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[Presentation] Size and shape control of epitaxial β-FeSi2 nanodots in Si-based nanoarchitecture toward advanced thermoelectric materials2016
Author(s)
Shunya Sakane, Kentaro Watanabe, Tatsuhiko Taniguchi, Masayuki Isogawa, Shuto Yamasaka, Shinya Tsurusaki, Shotaro Takeuchi, Akira Sakai, and Yoshiaki Nakamura
Organizer
Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials
Place of Presentation
Kyushu University, Fukuoka City, Fukuoka Pref.
Year and Date
2016-07-16 – 2016-07-18
Int'l Joint Research
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