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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Development of thermal switching device working under a bias voltage

Research Project

Project/Area Number 16K14375
Research InstitutionToyota Technological Institute

Principal Investigator

竹内 恒博  豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Keywords熱スイッチ素子 / 熱ダイオード / 格子熱伝導度 / 電子熱伝導度 / 積層構造
Outline of Annual Research Achievements

化石燃料の燃焼により得られる熱量のうち,有効に利用されているエネルギーは40%程度である.残りの60%は 低温廃熱として捨てられている.発電所,工場,自動車,家庭などで発生した廃熱を必要とする箇所に運び,有効利用することが強く望まれている.固体材料を流れる熱流は任意の方向に熱を振り分けることは容易ではない.機械的要素(接触・切断機構)を導入すれば熱の振り分けは可能であるが,システムの巨大化,設置費用,メンテナンス等の問題から,エネルギー効率化のために導入された例はない.機械部品なしに固体材料において熱流の大きさや方向を制御することができれば,その市場価値は極めて高い.
上述した社会的要求に対応するために,本研究では,熱流を任意の方向に振り分けることが可能な革新的熱流制御材料を開発することを目的とした.
この目的を達成するために,金属や半導体内の電子濃度を電場により制御し,電子濃度の変化を通して電子熱伝導度を著しく変化させる技術を確立し,電子熱伝導度の変化を目的に応じて最適化する指針を構築した.また,構築した指針に 基づき,革新的熱流制御材料(熱スイッチ材料)を試作した.
熱スイッチに利用する材料では,デバイス内の格子熱伝導度を著しく低減させる必要がある.また,半導体敵な電子構造を有し,著しく格子熱伝導が小さい試料を作成する必要がある.これらの課題に対して,FeVAlホイスラー相とMoあるいはWの超格子構造を作製し,界面散乱による格子熱伝導度低減機構の詳細な解析を行った.さらに,(Ag,Cu)2(S,Se,Te)合金を作製する手法を改善を行い,熱スイッチ材料の要素となる材料の選定を行い,これらの材料を用いたデバイスの試作も行った.その結果,10%弱の熱流の変化を観測することに成功した.

  • Research Products

    (16 results)

All 2018 2017

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 7 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Low Thermal Conductivity of Bulk Amorphous Si1-xGex Containing Nano-Sized Crystalline Particles Synthesized by Ball-Milling Process2018

    • Author(s)
      Muthusamy Omprakash, Shunsuke Nishino, Swapnil Chetan Ghodke, Inukai Manabu, Robert Sobota, Masahiro Adachi, Makoto Kiyama , Tsunehiro Takeuchi, Yoshiyuki Yamamoto, Harish Santhanakrishnan,Hiroya Ikeda,Yasuhiro Hayakawa
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s11664-018-6103-2

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Analyzing the Boundary Thermal Resistance of Epitaxially Grown Fe2VAl/W Layers by Picosecond Time-Domain Thermoreflectance2017

    • Author(s)
      Satoshi Hiroi, Seongho Choi, Shunsuke Nishino, O.Seo,Y. Chen, O. Sakata,Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s11664-017-6007-6

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermoelectric Properties of Nanograined Si-Ge-Au Thin Films Grown by Molecular Beam Deposition2017

    • Author(s)
      Shunsuke Nishino, S. Ekino, Inukai Manabu, Muthusamy Omprakash, M. Adachi, M. Kiyama, Y. Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s11664-017-5981-z

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 自己発熱合成法により作製したX2Ch(X=Cu, Ag, CH = S, Se, Te)の相変態過程と熱電物性2018

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2018年春期講演大会
  • [Presentation] アモルファス相を含むSi-Ge系薄膜の熱伝導率測定2018

    • Author(s)
      西野俊佑、 竹内恒博
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 電子構造,電子散乱,フォノン分散,フォノン散乱を考慮した高性能熱電材料の開発2018

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      長岡技術科学大学 第4回ナノ・原子レベル解析セミナー
    • Invited
  • [Presentation] 時間領域サーモリフレクタンス法を用いた Si-Ge-Au 薄膜の熱伝導率測定2017

    • Author(s)
      西野俊佑、 ムスサミー オンプラカシュ、 竹内恒博
    • Organizer
      豊田工業大学スマートエネルギー技術研究センター第10回シンポジウム
  • [Presentation] 1 WK-1m-1以下の低熱伝導率を示すアモルファスSi-Ge薄膜の作製2017

    • Author(s)
      西野俊佑、 ムスサミー オンプラカシュ、 竹内恒博
    • Organizer
      第14回日本熱電学会学術講演会
  • [Presentation] Development of (Si, Ge)-based high performance bulk thermoelectric materials2017

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi、 Inukai Manabu、 Muthusamy Omprakash、 Shunsuke Nishino
    • Organizer
      IUMRS-ICAM 2017, The 15th International Conference on Advanced Materials
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 熱電材料に最適な電子構造・結晶構造と高性能熱電材料の開発2017

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      日本表面科学会中部支部研究会
    • Invited
  • [Presentation] 省エネルギー社会のための新機能材料の開拓2017

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      南山大学・豊田工業大学連携講演会
    • Invited
  • [Presentation] 1Wm-1K-1以下の低熱伝導度を呈するSi-Ge系非晶質熱電材料の開発2017

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      第58回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • Invited
  • [Presentation] 廃熱をエネルギーとして有効活用するための材料開発 ~研究開発の問題点と近年の技術進歩~2017

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      平成29年度日本理化学協会東海ブロック研究会 第23回研究発表大会
    • Invited
  • [Presentation] Guiding principle to develop high-performance thermoelectric materials2017

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      8th International conference on Electroceramics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of high performance thermoelectric materials using detailed information about electronic structure and local atomic arrangements2017

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      Korean Institute of Metals and Materials
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] フォノンエンジニアリング~マイクロ・ナノスケールの次世代熱制御技術~ 第3章 第4節 異常電子熱伝導度と異常格子熱伝導度の発現機構と熱ダイオードへの応用2017

    • Author(s)
      竹内恒博(共著)
    • Total Pages
      15/245
    • Publisher
      (株)エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-509-7

URL: 

Published: 2018-12-17  

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