2019 Fiscal Year Annual Research Report
Research on high performance flexible thermoelectric device focusing on heat transport in amorphous oxide semiconductor
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19H02601
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
浦岡 行治 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20314536)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上沼 睦典 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (20549092)
Bermundo J.P.S 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 特任助教 (60782521)
石河 泰明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (70581130)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱電素子 / 酸化物半導体 / 薄膜材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、薄膜材料を用いた熱電変換素子が注目されている。薄膜材料では、既存の半導体プロセスを応用することが可能で、制御されたナノ構造を作製できるほか、大面積化や低コスト化も見込める。熱的及び化学的に安定なことから幅広い温度域での利用が見込まれている酸化物半導体薄膜の中には、透明性を持つものや低温プロセスを用いてフレキシブルな基板上に作製できるものもあり、熱電変換素子の応用先を広げることが可能である。出力電力密度向上のためには、p型とn型の両方の材料を用いた構造が有効であるが、酸化物熱電薄膜の研究ではp型の報告は少ない。薄膜熱電変換素子の性能向上や発展のためにはp/n両方の薄膜材料の研究やpn界面が特性に及ぼす影響について研究が必要である。そこで本研究では薄膜熱電変換素子の出力電力密度向上に必要なp型薄膜材料であるCuOxについて熱電材料としての評価を行った。さらに、n型材料であるa-InGaZnO(IGZO)とのpn接合試料を作製し、電気特性及び熱起電力に対するpn接合の影響について評価した。
実験の結果、以下の内容が明らかになった。薄膜熱電変換素子の高効率化にはpn接合形成が必要となることから、p型薄膜材料の検討とpn接合が熱電特性に与える影響を評価した。p型の酸化物薄膜材料であるCuOxについて、成膜条件を変化させることで熱電特性の向上に成功した。IGZOとCuOのpn接合において、接合部のエネルギー障壁のため界面の抵抗の影響が大きくなり、I-V特性は非線形となった。また、温度差の向きを反転することで起電力に差が発生することから、素子作製の際に考慮する必要があるとともに、従来とは別のアプローチによる性能向上の可能性を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の予定では、N型の酸化物半導体の熱電特性を評価することを主な内容としていたが、P型の酸化物にも研究を発展させて、N、Pの両方の薄膜材料の検討ができ、良好な特性をしめした。加えて、新たなメカニズムによる発電現象があきらかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、3次元構造導入によるフォノン散乱効果を検討する。材料固有の熱伝導率を制御するために、弾道的フォノン輸送系にフォノン散乱を促す構造を形成することができるフォノニック結晶を検討する。レーザナノパターニング(LNP)法は、大気雰囲気下においてレーザ照射により、感光性樹脂の三次元(3D)ナノ構造体を作製するプロセスであり、使用する位相シフトマスク(PSM)を変えることで簡便に構造やサイズを変更可能である。我々は、作製した構造体をテンプレートとして利用し，ZnO前駆体の均一かつ高密度充填によりZnOの3次元周期構造体形成に成功している。ここでは、レーザナノパターニング法による3次元周期的ナノ構造を形成し、液体のアモルファス酸化物材料を形成された空隙に充填することで、3次元フォノニック結晶を形成する。その結晶のフォノニックバンドにおけるバンドギャップを考察することで、フォノンの伝播が熱輸送や熱電特性へ与える影響を実験的・理論的に明らかにする。
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