不純物準位による電子構造改質を用いた電子物性制御手法の確立と高性能熱電材料の創製

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01695
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 竹内 恒博 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 熱電材料 / 熱電物性 / ナノ結晶 / 電子構造制御 / 電子構造計算 / 熱電素子

研究実績の概要

本研究の具体的な目的は『強散乱極限に達している縮退半導体のバンド端近傍に不純物準位を形成することで著しく小さな熱伝導度と大きな出力因子を共存させる手法を確立する』ことである．この条件は，電子構造・電子散乱・フォノン散乱を機能最適化のためにデザインすることに相当する.
この目的を達成するために，ナノ粒子から成るSi-Ge合金を作成し，伝導電子が強散乱極限に達している縮退半導体を作成した．バルク試料がナノ結晶を維持するように，アモルファス相を含むナノ結晶の粉末を高エネルギー遊星型ボールミルを駆使して作製し，その粉末を，粒成長が生じない温度領域で，通常の10倍程度の圧力をかけてパルス通電焼結する手法を用いた．
数不純物準位をバンド端近傍に形成する不純物として，電子構造計算から，n型材料としてはFeが，p型材料としてはAuやNiが適切であることを見出した．これらの元素を最大数at.%程度まで含み，かつ，PやBでキャリア濃度を調整した試料を作製した．
上記の手法により，Feを1at.%含んだ試料において，ZT = 3.7を示すn型材料を創製することに成功した．また，AuやNiを含むp型材料では，ZT = 1.8程度まで性能を向上させた．この結果は，本研究で提案する『強散乱極限に達している縮退半導体のバンド端近傍に不純物準位を形成することで著しく小さな熱伝導度と大きな出力因子を共存させる手法』が，高性能熱電材料を創製する手法として極めて優れていることを証明している．
Si-Ge系合金を材料設計指針が有効であることを示す典型例として示すことができた．一方で，指針の普遍性を示すことが課題として残った．他の合金でも，同様の指針を用いて熱電性能を高性能化することが必要であると考えている．

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] 桂林電子科技大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 桂林電子科技大学
• [国際共同研究] Indian Institute of Technology, Mandi(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Indian Institute of Technology, Mandi
• [国際共同研究] University of Genova/CNR-ICMATE/University of Pavia(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: University of Genova/CNR-ICMATE/University of Pavia
• [雑誌論文] High Dimensionless Figure of Merit ZT= 1.38 Achieved in p-Type Si-Ge-Au-B Thin Film (2020)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Adachi, Shunsuke Nishino, Kotaro Hirose, Makoto Kiyama, Yoshiyuki Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 61 ページ: 2402-2406
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2019310
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard x-ray photoemission spectroscopy of rhenium substituted higher manganese silicides (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Matsunami, T. Iizuka, S. Ghodke, A. Yamamoto, H. Miyazaki, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 127 ページ: 035103
  • DOI: 10.1063/1.5128185
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of partial substitution by 5 d heavy elements on the thermal transport in Fe 2 VAl thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Seongho Choi, Satoshi Hiroi, Manabu Inukai, Shunsuke Nishino, Robert Sobota, Dogyun Byeon, Masashi Mikami, Masaharu Matsunami, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 104312
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.104312
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of the Thermoelectric Performance of Si-Ge Nanocomposites Containing a Small Amount of Au and Optimization of Boron Doping (2020)
  • 著者名/発表者名: Omprakash Muthusamy, Swapnil Ghodke, Saurabh Singh, Kevin Delime-Codrin, Shunsuke Nishino, Masahiro Adachi, Yoshiyuki Yamamoto, Masaharu Matsunami, Santhanakrishnan Harish, Masaru Shimomura, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 49 ページ: 2813-2824
  • DOI: 10.1007/s11664-019-07857-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Realizing high thermoelectric performance in p-type Si1-x-yGexSny thin films at ambient temperature by Sn modulation doping (2020)
  • 著者名/発表者名: Ying Peng, Huajun Lai, Chengyan Liu, Jie Gao, Masashi Kurosawa, Osamu Nakatsuka, Tsunehiro Takeuchi, Shigeaki Zaima, Sakae Tanemura, Lei Miao
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 053903
  • DOI: 10.1063/5.0012087
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crossover in periodic length dependence of thermal conductivity in 5 fidelement substituted Fe 2 VAl-based superlattices (2020)
  • 著者名/発表者名: Seongho Choi, Satoshi Hiroi, Manabu Inukai, Shunsuke Nishino, Robert Sobota, Dogyun Byeon, Masashi Mikami, Emi Minamitani, Masaharu Matsunami, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 104301
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.104301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Silicon‐based Low-dimensional materials for thermal conductivity suppression: Recent advances and new strategies to high thermoelectric efficiency (2020)
  • 著者名/発表者名: Huajun Lai, Ying Peng, Jie Gao, Masashi Kurosawa, Osamu Nakatsuka, Tsunehiro Takeuchi, Lei Miao
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: SA0803
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abbb69
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Study of thin films of the filled skutterudite Smy(FexNi1-x)4Sb12 (2020)
  • 著者名/発表者名: Giovanna Latronico, Paolo Mele, Cristina Artini, Carlo Fanciulli, Pietro Manfrinetti, Saurabh Singh, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] High thermoelectric performance of Si-Ge alloy by modifying the electronic structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Omprakash Muthusamy, Saurabh Singh, Masahiro Adachi, Yoshiyuki Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 熱電材料の設計指針と高性能材料開発の現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 物性基礎研究から高性能熱電材料開発への展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第17回日本熱電学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of deformation and annealing effect on Thermoelectric Properties of flexible Ag2S1-xSex (0 < x < 0.55) Material for Energy Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Singh, K. Hirata, O. Muthusamy, G. Kim, Y. Peng, M. Ryu, D. Byeon, M. Matsunami, T. Takeuchi
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Si-Ge系高性能p型熱電材料の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 太田侑希, 正岡伊織, M. Omprakash, 久保直人, 田橋正浩, 後藤英雄, 松波雅治, 竹内恒博
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Thermoelectric properties of p-type Si-Ge-(Fe,Ni,V,Ti)-B alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: O. Muthusamy, S. Singh, M. Adachi, Y. Yamamoto, T. Takeuchi
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 高圧低温焼結によるCrSi2の熱電物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原惇, Choi Seongho, 松波雅治, 竹内恒博
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会