• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

構造制御による電子状態・散乱操作した高性能透明熱電材料の創製

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2111
補助金の研究課題番号 22J10030 (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28030:ナノ材料科学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

小松原 祐樹  大阪大学, 基礎工学研究科, 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 / ナノ構造 / 透明熱電薄膜 / 局所電位分布測定 / KFM / 透明熱電材料 / 有効質量 / エピタキシャル / ナノワイヤ / 薄膜
研究開始時の研究の概要

本研究では、Al導入および歪による電子状態制御、ナノ構造界面を利用した電子散乱制御を駆使して、安価無毒な高性能透明ZnO薄膜熱電材料を開発する。Al導入と格子不整合由来の歪により、有効質量増大によるゼーベック係数増大を狙う。また、そこにMgZnO層をエネルギー障壁としたMgZnO/ZnOナノワイヤを導入し、低エネルギー電子の散乱に伴う相乗的なゼーベック係数増大と、ナノ構造界面でのフォノン散乱による熱伝導率低減を狙う。これにより、実用化に向けた高性能透明薄膜熱電デバイスを開発する。また、本ナノ構造含有薄膜の局所ゼーベック係数増大方法論の確立のため、局所ゼーベック係数の直接測定装置を独自開発し、本薄膜へ適用する。

研究実績の概要

本年度、エピタキシャルZnO透明熱電薄膜の出力因子増大機構の調査と、本薄膜へエピタキシャルZnOナノワイヤを導入した透明薄膜の作製を行った。また、独自局所ゼーベック係数顕微鏡の開発に向けた装置の修理を行い、それぞれ成果を示した。具体的には以下に述べる。
1. 高出力因子を有するエピタキシャルZnO透明薄膜の増大機構の調査:本試料で得られた出力因子増大の機構を解明するため、ZnO中の欠陥に注目し、欠陥が電子状態に及ぼす影響について検討した。通常、ZnO中には酸素空孔や格子間亜鉛などの点欠陥が存在している。実験的に原子の存在量を調査した結果、高い出力因子が得られた試料においては、そうでない試料に比べて格子間亜鉛の割合が多いことが判明した。特筆すべき成果は、格子間亜鉛の作る準位と伝導帯との混成が有効質量を増大し、ゼーベック係数が増大する機構を見出したことである。
2. エピタキシャルZnOナノワイヤ構造の作製と熱電特性評価:エピタキシャルZnOナノワイヤを1の薄膜へ導入した薄膜を作製した。その結果、ZnOナノワイヤの面密度の増大に伴いゼーベック係数が増大した。その増大機構を調査したところ、当初の狙いであったエネルギーフィルタリング効果が無いことが分かった。現在、増大機構について検討中である。特筆すべき成果は、通常、ナノ構造界面の導入によって電子散乱の影響を受けるが、本薄膜では電子散乱がない特異的状況を作り出した点である。
3. 独自局所ゼーベック係数顕微鏡の開発にむけた装置の修理:今年度は、真空部品の修理を行った。本測定装置がナノ構造含有薄膜へ適用可能か調査するため、SiナノワイヤにPEDOT:PSSを埋め込んだ熱電材料の温度勾配下における局所電位分布の測定を行い、局所電位分布の測定に成功した。また、昨年度中には間に合わなかったものの、得られた結果をまとめ、論文投稿した。

報告書

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

    (7件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Boosting Thermoelectric Performance in Epitaxial GeTe Film/Si by Domain Engineering and Point Defect Control2023

    • 著者名/発表者名
      Ishibe Takafumi、Komatsubara Yuki、Ishikawa Kodai、Takigawa Sho、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Yamashita Yuichiro、Ohishi Yuji、Nakamura Yoshiaki
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 15 号: 21 ページ: 26104-26110

    • DOI

      10.1021/acsami.3c01404

    • 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] 非熱平衡状態におけるナノコンポジット薄膜の局所電位分布測定2023

    • 著者名/発表者名
      小松原 祐樹、石部 貴史、宮戸 祐治、中村 芳明
    • 学会等名
      2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Local potential distribution mapping by T-KFM for the enhancement of thermoelectric properties2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Komatsubara, Yuji Miyato, Takafumi Ishibe, Yoshiaki Nakamura
    • 学会等名
      31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] エピタキシャルZnO薄膜/Al2O3の歪制御によるゼーベック係数増大2023

    • 著者名/発表者名
      小松原 祐樹、石部 貴史、大江 純一郎、中村 芳明
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] エピタキシャル ZnO 薄膜における結晶ドメイン界面品質が熱電特性に及ぼす影響2022

    • 著者名/発表者名
      小松原 祐樹、上月 聖也、石部 貴史、中村 芳明
    • 学会等名
      第5回結晶工学×ISYSE合同研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Al doped ZnO 透明薄膜/Al2O3 のゼーベック係数増大とその機構2022

    • 著者名/発表者名
      小松原 祐樹、石部 貴史、大江 純一郎、中村 芳明
    • 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
  • [学会発表] 結晶成長方位制御により高性能化したAl doped ZnO/Al2O3の作製2022

    • 著者名/発表者名
      小松原 祐樹、石部 貴史、中村 芳明
    • 学会等名
      第19回日本熱電学会学術講演会(TSJ2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi