バイアス電圧による電子熱伝導度の制御と革新的熱スイッチ材料の創製

• 研究課題/領域番号: 16K14375
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 金属物性・材料
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 竹内 恒博 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 熱流スイッチ / 電子熱伝導度 / 格子熱伝導度 / 非調和振動 / 半導体 / 周期加熱法 / 自己発熱合成法 / 熱スイッチ素子 / 熱ダイオード / 積層構造 / 熱スイッチ / 熱伝導度 / 熱流制御材料 / 電子構造

研究成果の概要

本研究では，外場（バイアス電圧）により熱流を制御できる革新的熱スイッチ材料の創製を目指した挑戦的研究を行った．目的の機能を材料に持たせる為に，格子熱伝導度が著しく小さく，かつ，半導体的電子構造を有している材料を用いる必要がある．この要請に合致する材料群としてAg2S, Ag2Se, Ag2Teを選択した．ポリイミドフィルムを２枚のAg2Sで挟み込む素子を試作した結果，僅か数Vの電圧で最大７％の熱流変化を生み出すスイッチング素子を試作することに成功した．現状では熱流の変化量は小さいが，薄膜化により100程度大きな変化に出来る可能性が高い．

研究成果

• [雑誌論文] Low Thermal Conductivity of Bulk Amorphous Si1－xGex Containing Nano-Sized Crystalline Particles Synthesized by Ball-Milling Process (2018)
  • 著者名/発表者名: Muthusamy Omprakash, Shunsuke Nishino, Swapnil Chetan Ghodke, Inukai Manabu, Robert Sobota, Masahiro Adachi, Makoto Kiyama , Tsunehiro Takeuchi, Yoshiyuki Yamamoto, Harish Santhanakrishnan,Hiroya Ikeda,Yasuhiro Hayakawa
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: - 号: 6 ページ: 3260-3266
  • DOI: 10.1007/s11664-018-6103-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Analyzing the Boundary Thermal Resistance of Epitaxially Grown Fe2VAl/W Layers by Picosecond Time-Domain Thermoreflectance (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroi Satoshi、Choi Seongho、Nishino Shunsuke、Seo Okkyun、Chen Yanna、Sakata Osami、Takeuchi Tsunehiro
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: なし 号: 6 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1007/s11664-017-6007-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermoelectric Properties of Nanograined Si-Ge-Au Thin Films Grown by Molecular Beam Deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nishino, S. Ekino, Inukai Manabu, Muthusamy Omprakash, M. Adachi, M. Kiyama, Y. Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: - 号: 6 ページ: 3267-3272
  • DOI: 10.1007/s11664-017-5981-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thickness dependence of thermal conductivity and electron transport properties of Fe2VAl thin-films prepared by RF sputtering technique (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hiroi, M. Mikami, K. Kitahara, and T. Takeuchi
  • 雑誌名: International Journal of Nanotechnology 巻: 13 号: 10/11/12 ページ: 881-890
  • DOI: 10.1504/ijnt.2016.080367
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermoelectric Properties of Fe₂VAl-Based Thin-Films Deposited at High Temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hiroi, M. Mikami and T. Takeuchi
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 57 号: 9 ページ: 1628-1632
  • DOI: 10.2320/matertrans.E-M2016824
  • NAID: 130005252609
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 自己発熱合成法により作製したX2Ch(X＝Cu, Ag, CH = S, Se, Te)の相変態過程と熱電物性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2018年春期講演大会
• [学会発表] アモルファス相を含むSi-Ge系薄膜の熱伝導率測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西野俊佑、 竹内恒博
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 電子構造，電子散乱，フォノン分散，フォノン散乱を考慮した高性能熱電材料の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 長岡技術科学大学 第4回ナノ・原子レベル解析セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Fe2VAl/重金属系人工超格子の熱伝導度低減効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 廣井慧，竹内恒博
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 時間領域サーモリフレクタンス法を用いた Si-Ge-Au 薄膜の熱伝導率測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野俊佑、 ムスサミー オンプラカシュ、 竹内恒博
  • 学会等名: 豊田工業大学スマートエネルギー技術研究センター第10回シンポジウム
• [学会発表] 1 WK-1m-1以下の低熱伝導率を示すアモルファスSi-Ge薄膜の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野俊佑、 ムスサミー オンプラカシュ、 竹内恒博
  • 学会等名: 第14回日本熱電学会学術講演会
• [学会発表] Development of (Si, Ge)-based high performance bulk thermoelectric materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi、 Inukai Manabu、 Muthusamy Omprakash、 Shunsuke Nishino
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017, The 15th International Conference on Advanced Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 熱電材料に最適な電子構造・結晶構造と高性能熱電材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本表面科学会中部支部研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 省エネルギー社会のための新機能材料の開拓 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 南山大学・豊田工業大学連携講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 1Wm-1K-1以下の低熱伝導度を呈するSi-Ge系非晶質熱電材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第58回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 廃熱をエネルギーとして有効活用するための材料開発 ～研究開発の問題点と近年の技術進歩～ (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 平成29年度日本理化学協会東海ブロック研究会 第23回研究発表大会
  • 招待講演
• [学会発表] Guiding principle to develop high-performance thermoelectric materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 8th International conference on Electroceramics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of high performance thermoelectric materials using detailed information about electronic structure and local atomic arrangements (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: Korean Institute of Metals and Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fe2VAl系人工超格子の熱伝導度評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 廣井慧，竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会・2016年秋季（第159回）大会
  • 発表場所: 東京理科大学 葛飾キャンパス（東京都葛飾区）
  • 年月日: 2016-09-22
• [学会発表] 異常電子熱伝導度と異常格子熱伝導度を利用した革新的熱利用材料 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本伝熱学会東海支部主催第27回東海伝熱セミナー『エネルギー有効利用のための熱工学的アプローチ』
  • 発表場所: 鳥羽シーサイドホテル（三重県鳥羽市）
  • 年月日: 2016-09-17
  • 招待講演
• [学会発表] 周期加熱法を用いたMnSiγリボン状試料の熱伝導度測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西野俊佑，Swapnil Ghodke，山本 晃生，竹内恒博
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ，新潟コンベンションセンター（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] Fe2VAl層と重金属からなる多層膜の作成と熱伝導度へ影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 廣井慧，竹内恒博
  • 学会等名: 第13回日本熱電学会学術講演会
  • 発表場所: 東京理科大学 葛飾キャンパス（東京都葛飾区）
  • 年月日: 2016-09-05
• [学会発表] Development thermal rectifiers using thermoelectric chalcogenide Ag2Ch (Ch = S, Se, and Te) (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, 他５名
  • 学会等名: The 35th International Conference on Thermoelectrics & The 1st Asian Conference on Thermoelectrics (ICT/ACT 2016)
  • 発表場所: Wuhan, China
  • 年月日: 2016-05-31
  • 国際学会
• [学会発表] Thermoelectric properties of full-Heusler Fe2VAl-based thin-films (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hiroi and Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: The 35th International Conference on Thermoelectrics & The 1st Asian Conference on Thermoelectrics (ICT/ACT 2016)
  • 発表場所: Wuhan, China
  • 年月日: 2016-05-30
  • 国際学会
• [図書] フォノンエンジニアリング～マイクロ・ナノスケールの次世代熱制御技術～ 第3章 第4節 異常電子熱伝導度と異常格子熱伝導度の発現機構と熱ダイオードへの応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博（共著）
  • 出版者: (株)エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860435097