ファンデルワールスエピタキシー法による革新的熱電材料の開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18889
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 塩貝 純一 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (30734066)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: 熱電効果 / 層状物質

Outline of Annual Research Achievements

2次元層状物質では、層面内の原子間が強固な共有結合で結合されているのに対して、層間は弱いファンデルワールス力で結合されている。このため、異なる2次元物質の薄膜を層の積層方向に堆積させる場合、隣接する物質からの格子歪の影響が弱いことから、目的の物性の創出に対して幅広い物質選択が可能である。本研究では、このような2次元層状物質の積層構造を真空蒸着法で作製し、物質固有の特性を活かした革新的な熱電素子の開発を行うことを目的とする。
初年度は、
(1)パルスレーザー堆積法による層状化合物薄膜の合成
(2)試料温度可変の熱電効果測定用試料ホルダーの開発
に取り組んだ。
(1)については、研究代表者の勤務地異動に伴い、薄膜合成条件を再度最適化する必要があった。異動先で実験装置を立ち上げ、薄膜合成、構造評価、電気伝導特性評価など本研究に必要な一連の実験環境を整えることができた。さらに、一部の層状化合物については、異動前と同程度の水準の薄膜を得ることができた。(2)については、チップ抵抗を熱源とした試作品を作製し、薄膜試料中に数度の温度勾配を付けられることを確認した。今後は、熱電特性の試料温度依存性を評価するために、温度可変抵抗測定装置に合致する熱電測定用試料ホルダーの作製をおこなう。以上2項目の実験環境の整備を完了後は、様々な積層構造の物質依存性や膜厚依存性を評価し、薄膜積層構造における熱電特性に対する次元性や界面効果を調べるとともに、高熱電性能素子の構築を目指す。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

試料作製については、パルスレーザー堆積法を用いた薄膜合成が順調に進んでいる。現在は単一物質の合成を中心に取り組んでおり、それぞれの物質の最適化条件が整いつつある。物性評価については、熱電効果測定用の試料ホルダーの作製を進めている。熱源となるヒーター、温度計測、及び起電力測定用の配線を付けたホルダーにおいて、室温でのテスト測定の段階ではあるが、薄膜の熱電測定ができていることを確認できた。

Strategy for Future Research Activity

これまで単一物質の薄膜成長最適条件を元に、異種物質の積層構造における熱電特性の評価を行う。具体的には、
(1)薄膜積層構造の設計と合成
(2)積層構造試料における電気抵抗測定、ホール効果測定、及び熱電測定
(3)熱電能の評価
を行い、熱電特性の積層構造依存性を調査することで、次元性や界面構造と熱電能の相関を明らかにするとともに、2次元物質積層構造の特徴を活用した熱電素子開発に取り組む。