Highly efficient thermoelectric device by hybrid thermal conduction engineering

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H02729
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Nanostructural physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Nomura Masahiro 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 熱電変換 / エネルギーハーベスティング / 熱伝導 / フォノンエンジニアリング

Outline of Final Research Achievements

We developed advanced thermal conduction control in semiconductor thin films and application to thermoelectric devices. Phononic nanostructures are designed and formed in Si thin films on an SOI wafer. We demonstrated directional heat flux and heat focusing for the first time. On the topic of the development of thermoelectric devices, we adopted nanoimprint technology to form phononic nanostructures in 1 cm square area at low-cost and high-through put. The nanostructuring enables lower thermal conductivity, which leads to a higher thermoelectric performance. As the result, we achieved a 10 times enhancement in the power generation density compared with an unpatterned thin film.

Free Research Field

量子融合エレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

独自の測定系を用いて熱フォノニクス・フォノンエンジニアリングの物理探索を系統的に広く行い、独創的な研究によって多くの新しい知見を分野にもたらすとともに高度な熱制御技術を産み出したため、学術的に大きな意義を持つ研究であった。また、ナノ構造化による材料の熱電変換効率の向上を実証したうえで、産学連携体制の構築を行ってデバイス化を進めた。熱フォノン輸送制御という学術的に深いところから、熱電変換デバイス開発につなげる意味で社会的にも有意義な研究であったと考える。本デバイスは、エネルギー自立型低消費電力デバイス用電源としてスマート化社会を支えるため、社会への大きな波及効果が期待できる。