2013 Fiscal Year Annual Research Report
ナノドットの一次元コヒーレント結合構造を用いたレアメタルフリー高性能熱電材料開発
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25286026
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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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, 准教授 (60345105)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤野 憲太郎 東京都市大学, 工学部, 准教授 (90409376)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 熱電ナノ材料 / ナノドット / 熱電変換材料 / シリコン系材料 / ＭＢＥ / ユビキタス元素 / 極薄Ｓｉ酸化膜 / ドーピング技術 |
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| Research Abstract |
本研究では、電子状態とフォノン散乱を制御した低次元ナノ構造を作製し、レアメタルフリーの高性能熱電材料を創製することを目的とする。注目する低次元構造は、高い電子状態密度を有する球形ナノ結晶(ナノドット)をコヒーレントに直線状一次元配列したナノ構造である。具体的には、本研究では、既存のSiプロセス技術が利用可能なSi基板上に、Siやシリサイド半導体のナノドットの一次元コヒーレント結合構造を超高密度形成し、一次元コヒーレントな電子状態と選択的フォノン散乱を実現することで、高性能化したレアメタルフリー環境調和型熱電材料の開発を狙う。
本年度は、ナノドット連結構造にドーピングを行い、電気測定をすることに焦点を当てて研究を行った。そのために、まず、直線状ではなく、極薄Ｓｉ酸化膜技術を用いて比較的簡単に形成可能であるランダム配置Ｓｉナノドットにおいて、ドーピングする技術の開発を行った。ドーパントとしては、Ｇａ原子を用いた。Ｓｉ中では、Ｇａ原子は表面偏析しやすく、導入することが難しい。通常、Ｓｉ基板上のエピタキシャル成長では、室温でＳｉとＧａを同時に蒸着し、アモルファスＳｉを形成後、アニールしてエピタキシャル成長する固相エピタキシャル成長法（SPE）が有効である。このＳＰＥによるドーピング技術を極薄Ｓｉ酸化膜技術に導入することを行った。アモルファスの極薄Ｓｉ酸化膜上にアモルファスのＳｉ（Ｇａ）を形成してアニールを行ってもエピタキシャル成長は起こらない。そこで、Ｓｉを前もって少量蒸着し、酸化膜に1nm以下サイズのナノ開口を形成して、その後ＳＰＥ＋Ｇａドーピングを行うという取り組みを行った。その結果、エピタキシャルＳｉナノドット試料へのＧａドーピングに成功した。この技術の開発は、今後、キャリア密度を変化させ、熱電物性測定を調べていくことを可能とするものである。
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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
当初の計画の概要は、初年度：プロセス開発、次年度：物性測定、最終年度：最適化、というものである。初年度の具体的な目的は、一次元連結ナノドット構造の形成プロセス技術開発であった。連結する構造を作製することだけを優先してしまうと、次年度のドーピング技術開発の際にその初年度に開発した構造が、ドーピングの観点で最適かどうかわからない。そこで、ドーピングに最適な構造のプロセス開発というように観点をすこし変える必要がでてきたものの、初年度で、そのプロセス開発に成功した。したがって、大まかには、ほぼ順調に進んでいると考えられる。また、次年度の物性測定は、実際には、ドーピング＋測定という研究であるため、初年度における技術開発の成功は、次年度の研究をスムーズに進むことを可能にするものであると考えられる。次年度に、ドーピングによる電気測定評価を行うことで、直線状一次元連結構造の必要性の度合いを考えながら、より研究を加速させることができるようになったのではないかと期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
全体の流れとして、次年度は、初年度に開発したDoped ナノドット構造の熱電特性を測定する。最終年度には、熱電ナノ材料としての最適化をはかる。次年度の具体的な計画としては、（１）熱伝導率測定、（２）電気伝導測定、を行うことである。
(1)熱伝導率測定
２ω法を用いて測定する。初年度に形成した構造において、熱伝導率の低減が起こっているのか。また、どの程度起きているのかを調べる。プロセスと熱伝導率低減効果の関係という観点でも、調べる。
(2)電気伝導率測定
電気伝導率に関しては、ドーピング技術を駆使して、最適化をはかる。その際に、電気伝導率の増大が難しいという壁にぶつかる可能性がある。その際に、ななめ蒸着法などを用いて、直線状ナノドット連結構造の導入を試みる予定である。また、Ｇａ以外のドーパントにもこのドーピング技術は適応可能であると考えられるので、ドーパントの変更も解決法の一つと考えている。初年度のドーピング技術開発の成果を用いることで、電気伝導率の増大を狙うことが可能となる。ただし、ななめ蒸着法の導入などによるプロセスの複雑化が懸念されるため、物性の観点だけではなく、プロセス最適化の観点でも研究を行っていく。また、詳細な電気測定を行うために評価装置を立ち上げる必要がある。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初の研究計画では、初年度にナノドットの一次元結合構造の形成プロセス技術開発を、次年度に物性評価を、最終年度に最適化を、行う予定であった。次年度で電気特性評価を行う際、実際には、ドーピングを行う必要がある。そこで、初年度に一次元結合構造の形成プロセス技術を開発しても、それが、ドーピングという観点で最適化されていない可能性がある。そこで、初年度に、ナノドットの一次元結合化の前に、ナノドットへのドーピング技術プロセスを開発し、次年度に詳細な電気特性評価を行うという若干の計画変更を行った。そのため、当初行う予定であった一次元結合化プロセス開発の一部の費用を次年度のドーピング＋詳細な電気特性評価に関する研究費に充てる必要が生じた。
若干の研究計画変更に伴い、次年度には、初年度に開発したドーピング技術を用いてナノドットへドーピングを行い、その後、詳細な、電気特性評価を行う予定である。その際に、緻密にナノ構造の電気特性を評価できる測定装置を立ち上げる。「次年度使用額」は、その際の装置立ち上げ費にあてる予定である。また当初次年度分として請求した研究費では、他の物性測定に必要な装置等の購入および立ち上げを計画している。
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