2017 Fiscal Year Research-status Report
Mat of silicon nanowires as a highly efficient thermoelectric material
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17K18976
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
稲澤 晋 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30466776)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | シリコンナノワイヤー / 熱電変換 / 不純物ドーピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SiCl4亜鉛還元反応で自発的に生成する不織布状のシリコンナノワイヤー(SiNW)膜を用いて、高効率な熱電変換材料を開発する。SiNWは、バルクSiと異なり熱伝導率が著しく低下する。一方で、適切な不純物ドーピングを施せば、電気伝導度を維持できる。「熱を通さず電気を通す」性質は、熱電変換材料に不可欠な性質である。これまでにSiNWを用いた熱電変換が提案されているが、基本的にはSiNWを一本ずつ配線する必要があり、現実的な利用法とは言いがたかった。本研究では、ナノ材料でありながら手で容易に扱えるSiNW膜を用いてこの課題に取り組んでいる。29年度(初年度)では、電気導電性の付与に不可欠な不純物ドーピングのプロセス開発を行った。SiCl4を亜鉛蒸気で還元する亜鉛還元反応の反応器内に、ホウ素源としてBCl3を反応時に導入し、生成するSi材料中にホウ素が取り込まれるかの検討を行った。亜鉛還元反応では、亜鉛液滴にケイ素成分が一旦溶け込み、過飽和状態となったケイ素が自発的に結晶成長することでナノワイヤーやウィスカーが生成する。この亜鉛液滴内部にホウ素が溶け込めば、Siの結晶成長とともにホウ素が取り込まれ、ドーピングが可能となる。この手法を試した結果、Siウィスカーではラマン分光でホウ素がSiと結合している明確な証拠が得られた。Siナノワイヤーでは、ラマン分光での検出に至っていないが、元素分析による測定で一定量のホウ素がナノワイヤー中に取り込まれていることを示唆する結果が得られた。ドーピングプロセスの開発に向けて順調に成果が出ている。
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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
当初の計画通り、Si材料の合成と不純物ドーピングを同時に行うプロセスの開発に目処をつけられた。ウィスカー材料では電気導電性の測定まで達成しており、順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度で成功したホウ素のドーピングプロセスを用いて、不純物濃度の制御がどこまで可能か検証する。SiCl4の還元速度や、導入するBCl3の流量、SiCl4に対するモル比がドーピングホウ素の濃度に与える影響を明らかにする。またウィスカーで成功をしている電気導電率の測定をナノワイヤー膜に拡張する検討も進める。
p型に限らずn型の不純物についても同様の手法でSi材料内のドーピングを施す必要がある。一方、不純物源となる試薬ガスは概して毒性や反応性が高いものが多い。このため、安全性と操作性の両面に配慮した試薬選定を進める。
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| Causes of Carryover |
初年度に計上していた不純物ガス用の流量計(30万円)は従来から所有していたものを転用できることになったため、購入しなかった。またデジタルマルチメータ(14万円)については，予定を一年延ばしてH30年度で性能を精査をした上で購入予定である。消耗品として計上していた試薬や石英治具が想定していたよりも長持ちしたため、購入費を大幅に抑えられた。これらの事情で物品費支出が当初予算よりも90万円程度少なくなった。また、ドラフトメンテナンスなど本研究以外でも使用している設備の維持費を他予算から支払ったため、合計108万円程度の差引額がでた。
H30年度は、延期をしたマルチメータの購入をはじめ、反応で用いる試薬や石英治具の購入をする。また分析頻度の増加に伴う分析機器の使用費や、学会での発表に伴う旅費など、いずれもH29年度以上の支出が見込まれる。
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