2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of high-efficiency silicon-based thermoelectric materials by modulation doping and nanostructuring
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25289220
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
黒崎 健 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90304021)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石丸 学 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00264086)
内田 紀行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (60400636)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコン（Si）は、毒性が低い、p型・n型の制御が容易、低価格で高品質な材料が入手可能といった多くの利点を有する一方で、バルクSiの熱電変換性能指数（ZT）は最大でも0.2程度しかなく、実用化の目安であるZT = 1には遠く及ばない。この原因は、軽元素・単純結晶構造・共有結合に起因する高い格子熱伝導率と高ドープ領域におけるイオン化不純物散乱に起因する低いキャリア移動度にある。
そこで、本研究では、高ドープしたSiGe合金ならびに金属シリサイドから超高純度Siに対して変調ドープを施すとともに、両者の結晶粒径をナノスケールで精密に制御することを試みる。これにより、イオン化不純物散乱に起因する低キャリア移動度と、軽元素・単純結晶構造・共有結合に起因する高格子熱伝導率といったSiが本来有する熱電材料としての致命的な二つの欠点を一挙に解決できると考えている。
今期に得られた成果のうち、代表的なものの概要は、以下の通りである。高ドープしたMg2SiをSi中にナノスケールで分散させることで、Mg2SiからSiへの変調ドープを試みた。試料は、メルトスピン法で作製した。作製したリボン状試料のゼーベック係数（S）と電気抵抗率（σ）を測定し、Si単体ならびにMg2Si単体の熱電特性と比較した。結果、SiとMg2Siから構成されるナノコンポジットリボンの出力因子（S2σで表され、熱電材料の電気的特性を決定する）は、Si単体ならびにMg2Si単体の出力因子より高い値を示すことがわかった。その最大値は、500℃で、既存熱電材料であるBi2Te3やPbTeよりも大きな6 mWm-1K-2に達した。この高い出力因子の要因の一つにMg2SiからSiへの変調ドープが考えられる。これを確かめるためには、高温ホール効果測定を通して、キャリア濃度、キャリア移動度の温度依存性を正確に知る必要がある。
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| Research Progress Status |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Causes of Carryover |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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