2023 Fiscal Year Final Research Report

Development of Si-based Dirac electron superlattice and its thermoelectric devices based on phonon and electron trapsport physics

Research Project

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Project/Area Number	19H00853
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	Nakamura Yoshiaki 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (60345105)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	黒澤昌志名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40715439) 森伸也大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70239614) 藤田武志高知工科大学, 理工学群, 教授 (90363382) 澤野憲太郎東京都市大学, 理工学部, 教授 (90409376)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	シリコン / ナノ構造 / フォノン / 分子線エピタキシー
Outline of Final Research Achievements	In this study, we are aiming at developing the group IV element-based layered materials for the Si-based thermoelectric materials and its devices. Therein, 2-dimentional Dirac electron and phonon confinement can be expected, which are related to high power factor and low thermal conductivity. We succeeded in development of epitaxial growth technique of various group IV element-based layered materials on Si substrates. From the thermoelectric properties of these materials, we got ultra-high thermoelectric performance of layered materials. Unexpectedly, materials with high performance have atomic displacement of Si atoms in silicene. This founding exhibits high scientific impact and opens a road to Si-based thermoelectric materials and devices.
Free Research Field	ナノ構造物理
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	IoT独立電源として、低温廃熱用の軽量・小型であるSi系の薄膜熱電デバイスが注目を浴びている。高い熱電変換効率を得るには、熱伝導率低減と熱電変換出力因子の増大の同時実現が必要であるが、それらには相関があり難しい。本研究では、Dirac分散とフォノン閉じ込めに期待し、Si系の層状物質であるCa-SiGe系人工層状物質の開発に注目した。研究を行った結果、予想以上の高性能が得られ、興味深いことに、これはシリセンのSi原子位置が変位していることに起因することがわかってきた。この発見は、学術的には新しく、興味深いだけでなく、Si系材料として社会応用の可能性が期待できるものである。