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β-FeSi2ナノドット含有Siナノ構造を用いた熱電物性の独立制御技術の開発

Research Project

Project/Area Number 17J00622
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Nanostructural physics
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

坂根 駿也  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords熱電材料 / ナノドット / 鉄シリサイド / シリコン / 歪み
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、新規Si系熱電材料の開発に向けて、独自の極薄Si酸化膜技術を用いて鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、熱伝導率、電気伝導率、ゼーベック係数の3物性を独立制御することを目的として研究を行ってきた。これまで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜において、Si層中に存在する積層欠陥のエネルギー障壁によって出力因子増大の可能性がある一方で、薄膜中の点欠陥が出力因子低減を招いていることが分かった。そこで、本年度は高温プロセスを用いて点欠陥を減少した鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、高出力因子と低熱伝導率を同時に達成することを目的とした。高温で形成した際に極薄Si酸化膜が壊れナノドットの形状が崩れることを防ぐため、極薄Si酸化膜を用いずにナノドットを形成し、高温で作製する手法を開発した。まず、Si (111) 基板上にFeを蒸着した後に、アニール処理をすることで、蒸着したFeとSi基板を反応させ、鉄シリサイドナノドットを形成した。次に、Siを高温 (750 ℃) で蒸着することでSi層を形成した。上記プロセスを繰り返すことで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を形成した。本試料を、ラマン分光法を用いて分析すると、Si-SiのTOフォノンに起因するスペクトルの半値幅が低温で作製した試料と比較して低減していることから、本試料が高結晶性であることが確認された。また、移動度の測定を行ったところ、低温で作製した試料と比較して移動度の増大が確認でき、ボルツマン輸送方程式を用いた計算により、点欠陥が減少していることを確認した。さらに、本試料は、低温で作製した試料と比較して2倍以上高い出力因子を示した。また、熱伝導率は低温で作製した試料と同等にバルクSiと比較して低減していた。すなわち、狙い通り点欠陥減少により、高出力因子と低熱伝導率を同時実現することに成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2020 2019 2018 2017

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Nanostructural effect on thermoelectric properties in Si films containing iron silicide nanodots2020

    • Author(s)
      Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Taniguchi Tatsuhiko、Hinakawa Takahiro、Hosoda Ryoya、Mizuta Kosei、Alam Md. Mahfuz、Sawano Kentarou、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Issue: SF Pages: SFFB01-SFFB01

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab5b58

    • NAID

      210000157639

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Methodology of Thermoelectric Power Factor Enhancement by Nanoscale Thermal Management in Bulk SiGe Composites2019

    • Author(s)
      Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Mizuta Kosei、Kashino Masato、Watanabe Kentaro、Fujita Takeshi、Kamakura Yoshinari、Mori Nobuya、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 1235-1241

    • DOI

      10.1021/acsaem.9b02340

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High thermoelectric performance in high crystallinity epitaxial Si films containing silicide nanodots with low thermal conductivity2019

    • Author(s)
      Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Hinakawa Takahiro、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Mahfuz Alam Md.、Sawano Kentarou、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 115 Issue: 18 Pages: 182104-182104

    • DOI

      10.1063/1.5126910

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermoelectric power factor enhancement based on carrier transport physics in ultimately phonon-controlled Si nanostructures2019

    • Author(s)
      Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Taniguchi Tatsuhiko、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Fujita Takeshi、Alam Md. Mahfuz、Sawano Kentarou、Mori Nobuya、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      Materials Today Energy

      Volume: 13 Pages: 56-63

    • DOI

      10.1016/j.mtener.2019.04.014

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Semiconductor Nanostructure Design for Thermoelectric Property Control2019

    • Author(s)
      Nakamura Y.、Ishibe T.、Taniguchi T.、Terada T.、Hosoda R.、Sakane Sh.
    • Journal Title

      International Journal of Nanoscience

      Volume: 18 Issue: 03n04 Pages: 1940036-1940036

    • DOI

      10.1142/s0219581x19400362

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Epitaxial multilayers of β-FeSi2 nanodots/Si for Si-based nanostructured electronic materials2017

    • Author(s)
      Sakane Shunya、Isogawa Masayuki、Watanabe Kentaro、Kikkawa Jun、Takeuchi Shotaro、Sakai Akira、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films

      Volume: 35 Issue: 4 Pages: 041402-041402

    • DOI

      10.1116/1.4984107

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ナノ構造化Si薄膜における構造制御による高熱電性能化2020

    • Author(s)
      坂根 駿也、石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、中村 芳明
    • Organizer
      2020年 第67回 応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 欠陥制御によるナノ結晶含有Si薄膜の熱電特性改善2019

    • Author(s)
      坂根 駿也、石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、中村 芳明
    • Organizer
      2019年第80回 応用物理学会秋季学術講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Simultaneous realization of thermoelectric power factor enhancement and thermal conductivity reduction in epitaxial Si films containing β-FeSi2 nanodots2019

    • Author(s)
      Shunya Sakane, Takafumi Ishibe, Nobuyasu Naruse, Yutaka Mera, Md. Mahfuz Alam, Kentarou Sawano, Nobuya Mori, and Yoshiaki Nakamura
    • Organizer
      The 5th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SiGeナノ構造バルクにおける熱分布を利用した熱電出力因子の増大2019

    • Author(s)
      坂根 駿也、石部 貴史、藤田 武志、池内 賢朗、鎌倉 良成、森 伸也、中村 芳明
    • Organizer
      2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Coドープしたエピタキシャルβ-FeSi2薄膜/Siの作製とその熱電特性2018

    • Author(s)
      坂根 駿也、中村 芳明
    • Organizer
      第18回シリサイド系半導体・夏の学校
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Au添加SiGeバルク熱電材料の構造とその高出力因子2018

    • Author(s)
      坂根 駿也、柏野 真人、渡辺 健太郎、鎌倉 良成、森 伸也、藤田 武志、中村 芳明
    • Organizer
      2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノ構造化Si薄膜における出力因子決定機構2018

    • Author(s)
      坂根 駿也、渡辺 健太郎、成瀬 延康、目良 裕、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、森 伸也、中村 芳明
    • Organizer
      2018年春季<第65回>応用物理学会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノドット含有Si薄膜の熱電特性に与える熱処理の影響2017

    • Author(s)
      坂根 駿也、渡辺 健太郎、藤田 武志、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、中村 芳明
    • Organizer
      2017年秋季<第78回>応用物理学会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 急冷鋳造法を用いたAu添加SiGeバルク熱電材料の開発2017

    • Author(s)
      坂根駿也、柏野真人、渡辺健太郎、藤田武志、中村芳明
    • Organizer
      第14回日本熱電学会学術講演会(TSJ2017)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermoelectric properties of Si films containing epitaxial nanodots of various materials2017

    • Author(s)
      Shunya Sakane, Kentaro Watanabe, Takeshi Fujita, Md. Mahfuz Alam, Kentarou Sawano, Takeyuki Suzuki, and Yoshiaki Nakamura
    • Organizer
      The 36th International Conference on Thermoelectrics (ICT 2017)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhancement of thermoelectric properties by epitaxial nannodots in Si films2017

    • Author(s)
      Shunya Sakane, Kentaro Watanabe, Takeshi Fujita, Md. Mahfuz Alam, K. Sawano, and Y. Nakamrua
    • Organizer
      The 17th international conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Applications (Power MEMS 2017)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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