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半導体超格子構造を有する高性能平面型熱電変換デバイスの実現

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0939
補助金の研究課題番号 22J14266 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

小池 壮太  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード熱電変換 / シリコンゲルマニウム / ホイスラー合金 / エナジーハーベスタ
研究開始時の研究の概要

様々な情報をデータ化しネットワークで送受信を行うIoT社会において、多様なセンサーデバイスの需要が高まっており、近い将来、年間のべ1兆個ものセンサーが使用される時代がやってくると言われている。環境中に存在する熱・光・振動といった微小な未利用エネルギーから発電する「環境発電」の技術は、これらのセンサーを駆動する電源として注目を集めており、熱電変換はこの応用が期待されている発電手法のひとつである。
熱電変換に用いる材料開発は盛んに行われているが、変換効率の低さから実際にデバイス化を目指す研究は比較的少ない。本研究では実用化を見据えて、高性能薄膜材料の開発からデバイス化までを包括的に進める。

研究実績の概要

今年度は当初の予定であった超格子構造の熱電応用を探索するため、SiGe薄膜を用いた構造検討、熱電素子の作製に取り組んできた。我々は、まずSiGeを用いた平面型熱電素子を実現するため、シミュレーションを用いてデバイスの発電密度を最大化する構造設計を行った。構造最適化されたデバイスの熱起電力を開放電圧として測定し、シミュレーションで予想される出力と良い一致を得た。またSiGe膜厚を厚くすることで性能が大幅に向上することを示し、その性能1.75μWcm-2K-2はSi系材料を用いた同様の熱電素子としては最高性能である。
加えて、SiGe薄膜の性能向上に向け、ナノ構造作製が熱電性能に与える影響に関する研究を行った。最小の寸法が70-130 nmとなるように複数のサンプルを用意、このサンプルの電気・熱伝導率、熱起電力を決定するゼーベック係数を測定し熱電性能指数ZTを評価した。熱伝導率は予想通りナノ構造サイズが小さくなるにつれてフォノンの界面散乱が促されたことで最大24 %低下し、熱伝導率のサイズ効果の観測に成功した。大きな温度差が得づらい環境では、低い熱伝導率の材料を使用することで効率的に発電性能を増強できることが知られており、特にエネルギーハーベスティング応用には親和性の高い材料であるといえる。
先述した円孔配列型のナノ構造は2次元的な構造を有するが、薄膜の面直方向にも周期的な欠陥を導入することで熱伝導率をより効果的に低減し、高性能な熱電薄膜を実現できると考えられる。我々は、3 nm程度のSiGe極薄膜を含むSi/SiGe超格子構造を用意し、さらに2次元的なナノ構造を導入することで3次元のフォノン散乱機構を作製した。周期30 nmの超格子に対して、360 nm周期の円孔配列型ナノ構造を適用することで熱伝導率がその4分の1に低減できることが確認された。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Planar-type SiGe thermoelectric generator with double cavity structure2024

    • 著者名/発表者名
      Koike S.、Yanagisawa R.、Jalabert L.、Anufriev R.、Kurosawa M.、Mori T.、Nomura M.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 124 号: 12 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1063/5.0191450

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of nanostructuring on thermoelectric performance of SiGe thin films2023

    • 著者名/発表者名
      Koike Sota、Yanagisawa Ryoto、Kurosawa Masashi、Jha Rajveer、Tsujii Naohito、Mori Takao、Nomura Masahiro
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 9 ページ: 095001-095001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acf355

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Planar-type SiGe thermoelectric generator with a double cavity structure2024

    • 著者名/発表者名
      Sota Koike
    • 学会等名
      Asian Conference on Thermal Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ダブルキャビティ構造を有するSiGe平面型熱電素子2024

    • 著者名/発表者名
      小池 壮太
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SiGe超薄膜界面とフォノニック結晶ナノ構造を用いたシリコン薄膜の低熱伝導率化2024

    • 著者名/発表者名
      柳澤 亮人
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication and evaluation of a planar-type uni-leg SiGe thermoelectric generator2023

    • 著者名/発表者名
      Sota Koike
    • 学会等名
      International Conference on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of autonomous sensor system with nano-phononic silicon thermoelectric harvester through environmental test2023

    • 著者名/発表者名
      Ryoto Yanagisawa
    • 学会等名
      International Conference on Thermoelectrics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 平面型シリコン熱電変換デバイスを用いた屋外発電実験2023

    • 著者名/発表者名
      野村 政宏
    • 学会等名
      熱工学コンファレンス
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ナノインプリントを用いたシリコン熱電ハーベスタモジュールの開発2023

    • 著者名/発表者名
      柳澤 亮人
    • 学会等名
      日本熱電学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SiGe薄膜におけるナノ構造作製の熱電性能に与える影響2023

    • 著者名/発表者名
      小池 壮太
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ホイスラー合金薄膜の面内熱伝導率温度依存性2022

    • 著者名/発表者名
      小池 壮太, 辻井 直人, 相澤 俊, 森 孝雄, Bauer Ernst, 野村 政宏
    • 学会等名
      熱工学コンファレンス2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 多結晶SiGe 薄膜を用いた平面型熱電素子の作製と評価2022

    • 著者名/発表者名
      小池 壮太, 柳澤 亮人, 黒澤 昌志, R. Jha, 辻井 直人, 森 孝雄, 野村 政宏
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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