2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Novel Electron Emitter for Photon Enhanced Thermionic Emission Using Thin Film Semiconductor Material
| Project/Area Number |
18K04934
|
|---|
| Research Institution | Shizuoka University |
|---|
Principal Investigator |
荻野 明久 静岡大学, 工学部, 准教授 (90377721)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 二硫化モリブデン / 窒化アルミニウムガリウム / 熱電子放出 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
光支援熱電子発電は半導体を電子エミッタとして用いることで、熱による効果と光の量子効果を同時に発電に利用することができる。本研究は600 ℃程度で動作する光支援熱電子エミッタとして、バンドギャップを調整できる二硫化モリブデン(MoS2)および窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)に注目している。
バルクのMoS2のバンドギャップは約1.2 eVであるが、単層MoS2薄膜のバンドギャップは1.8 eVとなり、層数によるバンド構造制御が期待できる。本研究ではCVD法により合成した単層および数層のMoS2薄膜に窒素プラズマによる窒素原子注入を実施した。プラズマ処理した2および3層のMoS2薄膜を解析した結果、膜中の硫黄原子の一部が窒素原子に置換され、フェルミ準位が価電子帯側へ0.5 eV遷移しp型化することがわかった。バンドギャップとフェルミ準位は内部光電効果に関与し、作成したMoS2薄膜は光支援熱電子放出において可視光を有効に利用できる可能性がある。
光支援熱電子放出における熱の利用効率を高めるには、電子親和力の低減が重要となる。本研究ではAlGaN表面をセシウムで被覆し、光支援熱電子放出における電子親和力の低減効果について検討した。AlGaNはAl組成比を変えることで、GaNのバンドギャップである3.4 eVからAlNの6.2 eVをカバーでき、熱的安定性も高いことから、電子親和力の影響を検討しやすいと考えた。熱電子放出特性を評価した結果、Al組成比の増加とともに仕事関数が減少し電子放出電流が増加する一方で、さらにAl組成比を増加させると高抵抗化し電子放出が減少に転じることがわかった。また、従来の金属熱電子源よりも圧倒的に低い330 ℃での熱電子放出を観測し、低温域においても発電することを実証した。なお、電源として実用化するには出力が十分といえず高出力化が必要である。
|
