Enhancement of thermoelectric performance in superlattice film with Dirac electron system using electron-phonon interaction

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14536
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Ishibe Takafumi 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50837359)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 熱電変換 / シリサイド / 薄膜 / Diracバンド / フォノン

Outline of Final Research Achievements

This study is aiming at simultaneously realizing high electrical conductivity, high Seebeck coefficient, and low thermal conductivity in ε-CoSi1-xGex-based multilayer film/Si on the basis of the following strategy: ultrahigh electrical conductivity coming from Dirac band; high Seebeck coefficient brought by control of the location of heavy band; low thermal conductivity brought by alloy and interface phonon scatterings. This study succeeded in forming epitaxial ε-CoSi film and ε-CoGe/ε-CoSi1-xGex multilayer film. These films exhibited high Seebeck coefficient and low thermal conductivity coming from electron-phonon interaction-induced intervalley electron scattering and alloy and interface phonon scattering, respectively. In addition, atomic exchange enabled us to achieve the target values of thermoelectric power factor and thermal conductivity. The success of this study highly enhanced the possibility for the realization of thermoelectric power generation using film/Si substrate.

Free Research Field

熱電変換

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、電子-フォノン相互作用によるバンド間遷移を利用したゼーベック係数の向上を実験的に初めて実証した。これにより、波数空間エネルギーフィルタリング効果が熱電性能向上に有望であることが明らかとなった。これは、熱電性能向上の新しい方法論が生まれた点で学術的インパクトの高いものである。また、Si基板上に高熱電性能薄膜を実現したことは、Siプロセス利用の観点から産業応用上の価値が高い。これは、IoT、IoHセンサ用電源として薄膜熱電材料の産業応用を前進させる点で、高い社会的インパクトを与えるものであると言える。