2018 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 高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (90363382)
澤野 憲太郎 東京都市大学, 理工学部, 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 |
本年度は、高移動度・高ゼーベック係数、すなわち高出力因子のSiGe超格子にフォノン散乱体であるナノ構造を融合し、熱伝導率の低減を図ることを目的として実験を行った。
まず、超格子界面に薄いGe偏析層を形成することでより高度な歪制御を行い、上部Si層の高縮重度の保持によるより高い出力因子を実現することに挑戦した。その結果、ｐ型Siの場合とは異なり、ｎ型半導体の場合は、Si層に歪を与えずに高ゼーベック係数を維持することが高出力因子かにおいて重要であることを実証した。その際、遮蔽効果を用いて界面バリアを減少させることで、界面が存在してもゼーベック係数だけではなく、移動度も高い値を維持できることを見出した。
また、特筆すべき点は、歪制御のために導入したGe偏析層のために、熱伝導率が低減することを発見したことである。当初、界面にナノドットを作りこみ、熱伝導率低減を図る予定であったが、本結果は、ナノドットなしでも大幅な熱伝導率低減ができる可能性を示唆している。そこで、超格子界面へのGe偏析の度合いを変えて、熱伝導率に与える影響を詳細に調べた。それと同時に、Ge偏析が出力因子に与える影響も調べた。その結果、超格子構造は、もともと単なる薄膜よりも熱伝導率を低減できるが、このGe偏析層を界面に導入した場合、通常のSiGe系超格子よりもさらに、5倍程度熱伝導率が低減できることを見出した。また、Ge偏析を行うことで、熱伝導率低減の度合いを制御可能であることも分かった。この知見を用いて、界面の高度制御により、同様の既存SiGe超格子より大幅な熱伝導率低減し、同時にn型SiGe超格子の中で、最高の出力因子も実現することに成功した。この研究結果は、原子レベルの界面（歪・組成）制御により、熱電変換材料において最大の困難であった高出力因子と低熱伝導率の同時実現への道を拓いたことを意味する。
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| Research Progress Status |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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