2013 Fiscal Year Research-status Report
全スケールフォノン散乱構造の構築によるナノ構造化シリコン高性能熱電材料の創製
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25820457
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大石 佑治 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20571558)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ナノ結晶シリコン / 環境調和型熱電材料 / 低熱伝導率 |
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| Research Abstract |
熱を直接電気に変換する熱電変換は、環境・エネルギー問題を解決するための重要な解決策の一つである。本研究では、Siにおいて合金化・面状格子欠陥・ナノ結晶化を組み合わせた全スケールの波長のフォノンを散乱する構造を構築することで、熱伝導率を大幅に低減し、Siをベースとした高性能熱電材料を開発することを目的としている。
本年度は、ボールミルによるナノ粒子の作製を行った。ナノ結晶において高い熱電変換性能を達成するためには、キャリア密度が2E20/cm3を超える程度までドープする必要がある。そこで、ドーパントとしてボロンを1, 2at%添加したシリコンインゴットをアーク溶解法によって作製した。アーク溶解後の試料のキャリア密度をホール効果測定によって測定したところ、キャリア密度はいずれも5E20/cm3を超えており、十分な量のボロンがドーパントとしてドープできていることが確認できた。この試料をジルコニア製ボールミル・ポットを用いて粉砕し、酸化物やジルコニア不純物を除去するためにフッ化水素酸で洗浄した。その粉末のX線回折測定を行い、そのピークのブロードニングから結晶子サイズをHalder-Wagner法によって計算した。結晶子サイズはB1at%の試料は6.9 nm, B2at%の試料は11 nmであり、十分小さいサイズまでナノ粒子化できた。このSiナノ粒子を放電プラズマ焼結によって焼結して緻密なバルク試料を作製したところ、僅かに粒成長が起こり、結晶子サイズはそれぞれ15.2 nmと18.4 nmとなっていた。これらの試料のキャリア密度を測定したところ、1E18/cm3以下まで低下してしまっていた。この理由として、ボールミルの回転速度が速すぎたため、シリコン中に固溶していたボロンが析出したと考えられる。今後、ボールミル条件を再検討し、ボロンが析出しない条件を見出す予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ボールミルによるナノ粒子化と、粒成長を抑制して焼結しナノ結晶バルク試料を作製することには成功したが、現在のボールミル条件ではドーパントとして加えたボロンがシリコンから析出し、キャリア密度が大幅に低下してしまうことが分かった。これは、ボールミル中にシリコン粒子に過剰なエネルギーを加えることでシリコン粒子の温度が上昇し、ボロンが熱的に励起されて拡散することで、ボロンがナノ粒子表面に析出したと考えられる。そこで、ボールミルの回転数を低くし、シリコン粒子の温度上昇を防ぐことでボロンの析出を防ぐことを試みる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ボロンが析出しないボールミル条件が確定できれば、その後シリサイドと混合してナノコンポジットを作製し、さらにゲルマニウムをシリコンへ固溶させることで熱伝導率を大幅に低減させることを目指す。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究の進捗が若干遅れており、本年度はボロンドープシリコンのボールミル条件の最適化に取り組んでいたため、シリコンとシリサイドとの混合まで行うことができなかった。そのため、シリサイドとシリコンを混合する際に使用する予定であったグローブボックス等の物品は次年度購入することとした。
ボールミル条件の確定後、速やかにシリサイドと混合してナノコンポジットを作製する実験に取り掛かる予定である。その際に、次年度使用額分の助成金でシリサイドの酸化を防ぐための簡易型グローブボックスを購入する。また、焼結に必要なダイスやガス等のほか、物性測定装置の消耗品を購入する予定である。
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