β－ＦｅＳｉ２ナノドット含有Ｓｉナノ構造を用いた熱電物性の独立制御技術の開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17J00622
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 坂根 駿也 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2020-03-31
• キーワード: 熱電材料 / ナノドット / 鉄シリサイド / シリコン

研究実績の概要

本研究では、新規Si系熱電材料の開発に向けて、独自の極薄Si酸化膜技術を用いて鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、熱伝導率、電気伝導率、ゼーベック係数の3物性を独立制御することを目的として研究を行ってきた。これまで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜において、Si層中に存在する積層欠陥のエネルギー障壁によって出力因子増大の可能性がある一方で、薄膜中の点欠陥が出力因子低減を招いていることが分かった。そこで、本年度は高温プロセスを用いて点欠陥を減少した鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、高出力因子と低熱伝導率を同時に達成することを目的とした。高温で形成した際に極薄Si酸化膜が壊れナノドットの形状が崩れることを防ぐため、極薄Si酸化膜を用いずにナノドットを形成し、高温で作製する手法を開発した。まず、Si (111) 基板上にFeを蒸着した後に、アニール処理をすることで、蒸着したFeとSi基板を反応させ、鉄シリサイドナノドットを形成した。次に、Siを高温 (750 ℃) で蒸着することでSi層を形成した。上記プロセスを繰り返すことで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を形成した。本試料を、ラマン分光法を用いて分析すると、Si-SiのTOフォノンに起因するスペクトルの半値幅が低温で作製した試料と比較して低減していることから、本試料が高結晶性であることが確認された。また、移動度の測定を行ったところ、低温で作製した試料と比較して移動度の増大が確認でき、ボルツマン輸送方程式を用いた計算により、点欠陥が減少していることを確認した。さらに、本試料は、低温で作製した試料と比較して2倍以上高い出力因子を示した。また、熱伝導率は低温で作製した試料と同等にバルクSiと比較して低減していた。すなわち、狙い通り点欠陥減少により、高出力因子と低熱伝導率を同時実現することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Methodology of Thermoelectric Power Factor Enhancement by Nanoscale Thermal Management in Bulk SiGe Composites (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Mizuta Kosei、Kashino Masato、Watanabe Kentaro、Fujita Takeshi、Kamakura Yoshinari、Mori Nobuya、Nakamura Yoshiaki
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 3 ページ: 1235～1241
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.9b02340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanostructural effect on thermoelectric properties in Si films containing iron silicide nanodots (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Taniguchi Tatsuhiko、Hinakawa Takahiro、Hosoda Ryoya、Mizuta Kosei、Md. Mahfuz Alam、SAWANO Kentarou、NAKAMURA Yoshiaki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SFFB01-1～5
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab5b58
  • 査読あり
• [雑誌論文] High thermoelectric performance in high crystallinity epitaxial Si films containing silicide nanodots with low thermal conductivity (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Hinakawa Takahiro、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Md. Mahfuz Alam、Sawano Kentarou、Nakamura Yoshiaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 ページ: 182104～182104
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5126910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric power factor enhancement based on carrier transport physics in ultimately phonon-controlled Si nanostructures (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakane Shunya、Ishibe Takafumi、Taniguchi Tatsuhiko、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Fujita Takeshi、Alam Md. Mahfuz、Sawano Kentarou、Mori Nobuya、Nakamura Yoshiaki
  • 雑誌名: Materials Today Energy 巻: 13 ページ: 56～63
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2019.04.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semiconductor Nanostructure Design for Thermoelectric Property Control (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Y.、Ishibe T.、Taniguchi T.、Terada T.、Hosoda R.、Sakane Sh.
  • 雑誌名: International Journal of Nanoscience 巻: 18 ページ: 1940036～1940036
  • DOI: https://doi.org/10.1142/S0219581X19400362
• [学会発表] ナノ構造化Si薄膜における構造制御による高熱電性能化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂根 駿也、石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、中村 芳明
  • 学会等名: 2020年 第67回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 欠陥制御によるナノ結晶含有Si薄膜の熱電特性改善 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂根 駿也、石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、Md. Mahfuz Alam、澤野 憲太郎、中村 芳明
  • 学会等名: 2019年第80回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Simultaneous realization of thermoelectric power factor enhancement and thermal conductivity reduction in epitaxial Si films containing β-FeSi2 nanodots (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunya Sakane, Takafumi Ishibe, Nobuyasu Naruse, Yutaka Mera, Md. Mahfuz Alam, Kentarou Sawano, Nobuya Mori, and Yoshiaki Nakamura
  • 学会等名: The 5th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials
  • 国際学会