研究課題
研究目的 :熱電変換デバイスは外部電力を要せず、クリーンで低環境負荷である等の優れた特長を有しており、工場、自動車等からの廃熱を有効利用するデバイスとして期待されている。Si_xGe_<1-x>は(1)有害元素を含まないこと、(2)常温から1,000℃までの広い範囲で使用できる等の特長を有している。本研究は、(1)Si_xGe_<1-x>不純物濃度制御、(2)均一組成のSi_xGe_<1-x>単結晶、多結晶、焼結試料の作製、(3)熱電特性(電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率)を評価し、組成、不純物濃度、形態が熱電特性に及ぼす効果を調べ、熱電変換効率向上を図ることを目的とした。研究方法 :Si種結晶/Gs/Si供給原料から構成される試料アンプルを用いて、温度差徐冷法により均一組成SiGe多結晶を成長させた。組成分布と熱電特性(電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率)を測定し、特性を評価した。研究成果 :温度勾配を0.5℃/mmと小さくすることで組成変化を抑制し、組成変動が0.006と小さいSi_<0.73>Ge_<0.27>結晶成長に成功した。さらに、Ga添加(1×10^<18>cm^<-3>)Si_<0.68>Ge_<0.32>結晶とSb添加(1×10^<19>cm^<-3>)Si_<0.73>Ge_<0.27>結晶を成長させ、不純物の種類が抵抗率、ゼーベック係数、熱伝導率と無次元性能指数の温度依存性を調べた。両試料とも抵抗率は温度が高くなるにつれて抵抗率は高くなった。これは、電子-フォノン散乱が大きくなったためで、金属的な性質を示していた。ゼーベック係数は温度上昇に伴い大きくなるが、さらに温度を高くすると減少した。これは、電子と正孔の両キャリアが生成されたことに起因した。熱電性能指数は温度が上昇すると高くなり、820Kで最大値を示した。Ga添加試料とSb添加試料の最大熱電性能指数はそれぞれ0.34と0.44であった。今までに報告されているリン添加5×10^<19>cm^<-3>のSiGeバルク結晶の値0.06よりも大きな値が得られた。
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Journal of Crystal Growth
巻: 442 ページ: 102-109
10.10.16/j.jcrysgro.2016.02.025
http://maruhan.rie.shizuoka.ac.jp/
