2016 Fiscal Year Annual Research Report
三次元量子ナノディスクアレイによるゼーベック係数制御・熱電変換素子
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16H03898
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
寒川 誠二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30323108)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 雅一 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (80332568)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱電素子 / 量子ドット / ナノ構造 / フォノンエンジニアリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では研究代表者・寒川が開発した究極のトップダウン技術である中性粒子ビームを用いた無損傷極限微細エッチングと、球殻状蛋白質（フェリチン）の自己組織化能によるボトムアップ技術を用いた高密度ナノエッチングマスクを組み合わせることで、10nm以下で周期性が高いシリコン系材料（シリコンあるいはシリコンゲルマニウム等）量子ナノディスクアレイ構造を、高密度（5×1011cm-2以上）に間隔を制御して作製し、面内でのフォノン輸送、バンド構造制御による大面積・高効率熱電変換素子を実現する。また、量子ナノディスクアレイ構造間での熱輸送現象および電子輸送現象の実験的および理論的解析から、それらに対する量子サイズ効果、バンド構造（中間バンド）制御効果を明らかにして、本ナノ構造による熱伝導率とパワーファクターの独立制御法構築に挑戦する。
平成28年度はバイオテンプレート極限加工を用いて、二次元シリコンナノディスクアレイ構造（SiNWs）を作製し、作製したナノディスクアレイに対してスピンオングラス(SoG)を埋込んだ複合膜（SiNWs-SoG複合膜）を作製した。更に上記SiNWs-SoG複合膜の熱伝導率を測定したところ、1.5 W/mKと有効媒質近似モデルで推算した熱伝導率と比較して1/10程度に低減しており、ナノ構造化による熱伝導率低減効果を確認した。更に上記のSiNWsに対してシリコンゲルマニウム(SiGe0.3)を埋込んだSiNWs-SiGe0.3複合膜を作製し、熱伝導率・電気特性を評価したところ電気特性を維持したまま熱伝導率のみを選択的に低減できることを確認した。
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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
バイオテンプレート極限加工を用いて、二次元シリコンナノディスクアレイ構造作製手法および中間層堆積手法を確立した。更に熱伝導率および電気伝導率の測定方向も確定できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は前年度までに作製技術を構築したSiNWs-SiGe複合薄膜に不純物（ホウ素やリン）を注入することで、室温領域で効率よく発電できる熱電材料の開発を目指す。更にSiNWs-SiGe複合薄膜を用いて室温域で動作する熱電変換素子を試作すると共に、発電特性（熱起電力、電気伝導率、キャリア移動度）を評価することで、ナノ構造熱電変換素子のデバイス化における問題点の抽出及び、改善を実施する。また素子材料の最適化はバイオテンプレート極限加工を用いてGeNWsやSiGeNWsを作製する技術を構築する共に、材料の違いによる熱伝導率への影響を評価することでナノ構造化によるフォノン散乱への寄与、及びそのメカニズムを実験的に明らかにすることで実施する。
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