格子欠陥エンジニアリングによるMg系ジントル相熱電材料の半導体特性制御
Project/Area Number |
21K04718
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
Principal Investigator |
谷 淳一 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究室長 (20416324)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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Keywords | 熱電変換材料 / 格子欠陥制御 / ジントル相 / 薄膜 / スパッタ法 / ポストアニール / パルス通電焼結 / 酸化物還元法 |
Outline of Research at the Start |
国内の一次エネルギーの約6割にあたる膨大な廃熱が地球環境に排出されており、熱エネルギーを直接電力に変換できる熱電素子の研究開発に注目が集まっている。アルカリ金属・アルカリ土類金属と典型元素との化合物であるジントル相は、高い熱電特性を示すものの、大気中で不安定な化合物が多く、物性については未解明な点が多い。本研究では、Mg系ジントル相熱電材料の格子欠陥エンジニアリングに着目し、半導体特性制御のためのバルク・薄膜材料の加工技術の開発を行う。また、熱電特性、輸送特性、光学特性とバルク・薄膜中の格子欠陥との相関を解明し、高性能化のための材料設計指針を確立することを目的とする。
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Outline of Annual Research Achievements |
Mg系半導体は、資源豊富、軽量であり、熱電変換材料、赤外線センサーなどへの応用が期待できる。本研究課題では、Mg系ジントル相熱電材料の格子欠陥エンジニアリングに着目し、半導体特性制御のための、バルク・薄膜の加工技術の開発を行う。バルク材料の高性能化に向けた研究が実施されているものの、薄膜材料に関する報告は少ない。本年度は、室温付近での利用が期待されるMg3Bi2薄膜に着目し、マグネトロンスパッタ法による成膜条件と熱電特性について検討を行い、以下の成果が得られた。 1. ターゲットとしてBiディスクとMgディスクを使用し、初めBi薄膜、その後Mg薄膜をガラス基板上に室温で製膜した。得られたMg/Bi 2層薄膜をポストアニール処理することで、Mg3Bi2薄膜の作製を行った。ポストアニール温度の上昇に伴い、Mg3Bi2の生成量は増加した。Biの融点である544K以上の温度では、下地のBi薄膜の微細構造が大きく変化することから、2段階のポストアニール処理 (523K 1h+673K 1h)を実施した。その結果、Mg3Bi2相と極微量のBi相から構成された組成の均一な薄膜を作製することに成功した。本研究で作製した薄膜は、ランダム配向の多結晶体であり、Halder-Wagner法により求めた結晶子サイズは26nmであることが分かった。 2. 本研究で成膜したMg3Bi2薄膜はp型の特性を示し、室温のキャリア濃度と移動度は、それぞれ2.0×10^20cm-3 and 11cm2/Vsの値であった。また、電気抵抗率とゼーベック係数から算出した熱電パワーファクターの最大値は565 Kにおいて0.89μW/cmK2であり、メカニカルアロイング法を用いて作製したバルク材料の文献値と良い一致を示した。
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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
本研究では、Mg系ジントル相熱電材料の格子欠陥エンジニアリングに着目し、半導体特性制御のための、バルク・薄膜の加工技術の開発を行うことを目的としている。本年度は、マグネトロンスパッタ法を用いてMg/Bi 2層薄膜を作製し、2段階ポストアニール処理を行うことで、Mg3Bi2薄膜の作製に成功した。本研究成果を論文として公表できたことから、おおむね当初の計画どうりに進展している。
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Strategy for Future Research Activity |
令和5年度は、ファイバーレーザによるMg3Sb2半導体特性制御に取り組む。レーザの出力、走査速度、Arガス圧などの照射条件と同材料中の格子欠陥の相関を詳細に検討する予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)