| 研究課題/領域番号 |
21K14536
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
石部 貴史 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50837359)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 熱電変換 / シリサイド半導体 / ディラック電子系 / Heavy band / フォノン / 超格子 / 界面制御 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、代表者が培ってきた輸送電子の平均エネルギー増大法、及びナノ構造界面フォノン散乱の知見を駆使して、低毒元素のみで構成したSi基板上e-CoSi1-xGex/e-CoSi超格子薄膜熱電材料を創製する。本超格子において、e-CoSi1-xGexの有するDirac電子由来の超高電気伝導率、Ge濃度変調に伴う電子-フォノン相互作用制御によるゼーベック係数増大を狙う。また上記材料を超格子化することでe-CoSi1-xGex/e-CoSi界面でのフォノン散乱誘発に伴う熱伝導率低減を達成し、三熱電物性の同時制御を実現する。これにより、IoT, IoHセンサ用の高性能薄膜熱電電源を開発する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、電子・フォノンの二粒子同時制御を可能にするSi基板上シリサイド超格子薄膜熱電材料を創製する。具体的には、ε-CoSi1-xGex/ε-CoSi超格子薄膜において“Dirac電子の超高電気伝導率”と“局在Heavy band位置の意図的制御による高ゼーベック係数”を実現して熱電出力因子増大を、さらに合金・界面フォノン散乱誘発による熱伝導率低減を同時達成することを目的とする。
令和5年度は、昨年度までに形成してきたε-CoSi薄膜の熱伝導率測定、及び新しくGe-richなエピタキシャルε-CoSi1-xGex薄膜/Siの成長技術確立に取り組んだ。エピタキシャルε-CoSi薄膜の格子熱伝導率は3.5 W/mKと比較的低い値であることがわかった。これにより、当初の予定であった超格子ではなく、合金薄膜のほうが高い熱電性能を得られると考え、Geを添加したε-CoSi1-xGex薄膜にフォーカスした。基板表面にCoGe核を少量形成することでε-CoSi1-xGex薄膜/Siのエピタキシャル成長に成功した。本薄膜形成技術は核を用いた新手法であり、他材料への展開も期待できる。本薄膜の出力因子は、ε-CoSi薄膜の1/2程度であったものの、合金散乱の増強のため格子熱伝導率は、<2.5 W/mKとε-CoSi薄膜のそれよりも低かった。今後、Ge量の最適化により最高性能のε-CoSi1-xGex薄膜/Siの創出が期待できる。
一方、ε-CoSi1-xGex薄膜のCoを他元素Teで置換した材料では、>35 microW/cmK2の出力因子、0.7 W/mKの格子熱伝導率を達成した。結果として、目標であった参考ZT~0.3 @300 Kに到達した。このように、Si基板上に高性能薄膜熱電材料の創製に成功したことで、IoT、IoHセンサ用電源の実現が大いに近づいたと言える。
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