2019 Fiscal Year Research-status Report
Methodology of thermoelectric performance enhancement by hybridization of electronic quantum states and high conductivity states
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19K22110
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中村 芳明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60345105)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / 透明材料 / ナノワイヤ / ナノ構造物理 / 漁師閉じ込め構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、人工的急峻電子状態を有する量子閉じ込めナノ構造を、良電子伝導を担うナノワイヤの側面に形成することで、良伝導電子状態と高ゼーベック係数をもたらす急峻電子状態の混成状態を誘起し、本来不可能である高電気伝導率と高ゼーベック係数を同時実現し、本学理に基づく熱電性能向上方法論を創成することを目的としている。2019年度は、ZnOナノワイヤにSnO2/Ge膜をパルスレーザー堆積法・分子線エピタキシー法により成膜し、ナノワイヤ埋め込み構造の形成技術確立を目的とした。
ZnOナノワイヤ側面にSnO2薄膜を成膜したところ、SnO2はlayer-by-layer成長せず、大きなラフネスをもって成長することが確認された。この成長様式を探るため、ナノワイヤではなく、まずはZnO薄膜上へのSnO2薄膜の形成を試みた。すると、ある成長条件によってはSnO2はZnO上にアイランド成長することが分かった。格子不整合が関係していると思われるため、格子不整合差が少なく、かつ本戦略を実現可能な材料の選定を改めて行い、MgxZn1-xOが適切であると着想した。Mg添加量によりMgxZn1-xO/ZnO間のエネルギー障壁を制御でき、界面には2次元電子ガス層が形成されることもよく知られている。まず、ZnO薄膜上にMgxZn1-xO層を成膜したところ、原子レベルで平坦に形成することに成功した。さらに、量子閉じ込め層として、Geの代わりに実績のあるZnOを選択し、MgxZn1-xO/ZnOの超格子構造の形成を行い、本戦略“良伝導電子状態と高ゼーベック係数をもたらす急峻電子状態の混成状態”を実現可能な材料場の形成に成功した。次年度以降、超格子構造をナノワイヤ埋め込み構造に発展させ、熱電性能評価を行い、熱電性能向上を実験的に観測することを狙う。
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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
本研究は、おおむね順調に進行していると評価する。当初、ZnOナノワイヤにSnO2/Ge膜を成膜することを予定してものの、成長様式の不具合が発覚した。このため、低コスト・環境調和型の元素の中で、SnO2およびGeを代替可能なものを検討する必要性が生じた。過去の研究実績を勘案すると、MgxZn1-xOとZnOが、低次元効果、格子不整合差の面で良い相性を有することが分かった。また、当研究グループの原子レベルでの精密な構造形成技術を駆使することで、まずはZnO薄膜上にMgxZn1-xO層を成膜し、原子レベルで平坦な積層構造を形成することに成功した。さらに、量子閉じ込め層として、Geの代わりに実績のあるZnOを選択し、MgxZn1-xO/ZnOの超格子構造の形成を行い、本戦略“良伝導電子状態と高ゼーベック係数をもたらす急峻電子状態の混成状態”を実現可能な材料場の形成に成功した。今後、ナノワイヤ埋め込み構造に展開していく予定であるが、当研究室は、ZnOナノワイヤをZnO系薄膜中に埋め込んだ構造の形成技術にはすでに成功しているため、本MgxZn1-xO/ZnOヘテロ構造においても問題なく形成可能であると考えている。以上より、当初予定していた材料の変更を余儀なくされたものの、本戦略に則った適切な構造形成の技術開発には成功したことは十分評価（おおむね順調）に値するものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度、MgxZn1-xO/ZnOの超格子構造の形成を行い、本戦略“良伝導電子状態と高ゼーベック係数をもたらす急峻電子状態の混成状態”を実現可能な材料場の形成に成功した。今後の推進方策は以下のとおりである。現在、Mgの添加量(x)が10%の場合で成功を確認している。しかしながら、ゼーベック係数増大をもたらすためには、適切なエネルギー障壁制御が必要である。このため、次年度は、Mgの添加量(x)を調整していき、最適な組成を明らかにする。さらに、低温下でのキャリア移動度、ゼーベック係数測定を行うことで、エネルギー障壁が狙い通りMgxZn1-xO/ZnO界面に形成されていることを実験的に確認する。本実験結果に関して、計算科学に基づいて熱電性能向上の理論的解釈を行うことを予定している。その後、ナノワイヤ埋め込み構造に展開していく予定であるが、当研究室は、ZnOナノワイヤをZnO系薄膜中に埋め込んだ構造の形成技術にはすでに成功しているため、本MgxZn1-xO/ZnOヘテロ構造においても問題なく形成可能であると考えている。このナノワイヤ埋め込み構造においてもエネルギー障壁がMgxZn1-xO/ZnO界面に形成されていることを実験的に確認し、計算結果と照らし合わせて熱電性能向上の理論的解釈を行う。最終年度には、本戦略により達成した高熱電性能薄膜のデバイス化を行い、実際に社会応用可能な材料・構造であることを実証する予定である。
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| Causes of Carryover |
当初、ZnOナノワイヤにSnO2/Ge膜を成膜することを予定してものの、成長様式の不具合が発覚した。このため、低コスト・環境調和型の元素の中で、SnO2およびGeを代替可能なものとして、MgxZn1-xOとZnOに舵を切ることで、研究が滞りなく進むと考えてその方向に舵を切った。MgZnOで今年は研究を行ったため、若干の予算の余裕がでた。ただ、来年度この超格子を作成して実験を行うため、この残予算は、研究変更に伴うこの超格子作製に充てて研究を進める計画である。
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Research Products
(6 results)
