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2022 年度 実績報告書

IV族混晶バンドエンジニアリングを基軸とした巨大熱電能の制御とデバイス応用

研究課題

研究課題/領域番号 21H01366
研究機関名古屋大学

研究代表者

黒澤 昌志  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40715439)

研究分担者 片瀬 貴義  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードIV族混晶 / 結晶成長 / バンドエンジニアリング / フォノンドラッグ熱電能
研究実績の概要

本年度得られた主な成果を以下に纏める。

●熱起電力・電気伝導率同時計測システムの環境整備:昨年度導入した計測システムおよび室温復帰ヒーターを遠隔操作できるよう計測プログラムの修正やネットワーク環境を整備した。PCやスマートフォンからでも随時生データを確認し、測定条件を変更できるようにするなど効率的に測定できるよう改善した。

●様々なIV族混晶薄膜へ低温熱電物性評価:表面清浄化した高抵抗 Si(001)基板上に、RFスパッタリング法を用いてSi1-xSnx薄膜(Sn 組成:3%、膜厚:55 nm)をエピタキシャル成長した。リンをイオン注入後(加速電圧:10 kV、ドー ズ: 7.5E14 cm-2)、窒素雰囲気中で熱処理(600 °C、1 min)を施し、下地基板からの結晶回復を試みた。Hall 電子濃度が1E19 cm-3程度のSi1-xSnx薄膜を選別し、熱起電力(S)測定を行った。これまでの報告では、高濃度にドーピングされたSiバルク単結晶では、|S|が温度の減少と共に単調減少している。一方、Si1-xSnx薄膜では、フォノンドラッグ起因と考えられる巨大な |S|のピークが25 K付近に得られ、その裾野は300 Kにまで及ぶ。また興味深いことに、Ge1-xSnx薄膜で得られた|S|のピーク位置と比較し、約10 K室温側にシフトしている。これは、Si1-xSnx 薄膜あるいは下地に用いたSi基板がより高いデバイ温度を有することを反映しているためだと考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の予定通り、計測システムの環境整備、様々なIV族混晶薄膜の形成ならびに低温熱電物性の計測が順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

これまでに形成した様々なIV族混晶薄膜の熱電物性評価の結果を踏まえ、巨大熱電能の発現温度を室温化するガイドラインを構築するとともに、実デバイスを作製により電子冷却効果を検証する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 7件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Lattice-matched growth of high-Sn-content (x~0.1) Si1-xSnx layers on S1-yGey buffers using molecular beam epitaxy2023

    • 著者名/発表者名
      Fujimoto Kazuaki、Kurosawa Masashi、Shibayama Shigehisa、Sakashita Mitsuo、Nakatsuka Osamu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 045501~045501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acc3da

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superior power generation capacity of GeSn over Si demonstrated in cavity-free thermoelectric device architecture2023

    • 著者名/発表者名
      Mahfuz Md Mehdee Hasan、Katayama Kazuaki、Ito Yoshitsune、Fujimoto Kazuaki、Tomita Motohiro、Kurosawa Masashi、Matsuki Takeo、Watanabe Takanobu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: SC1058~SC1058

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acaed1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation of Band Structure in Strained Single Crystalline Si1-xSnx2022

    • 著者名/発表者名
      Sahara Keita、Yokogawa Ryo、Shibayama Yuki、Hibino Yusuke、Kurosawa Masashi、Ogura Atsushi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 109 ページ: 359~366

    • DOI

      10.1149/10904.0359ecst

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sn-incorporation effect on thermoelectric properties of Sb-doped Ge-rich Ge1-x-ySixSny epitaxial layers grown on GaAs(001)2022

    • 著者名/発表者名
      Kurosawa Masashi、Nakata Masaya、Zhan Tianzhuo、Tomita Motohiro、Watanabe Takanobu、Nakatsuka Osamu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 ページ: 085502~085502

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7bc7

    • 査読あり
  • [学会発表] 半絶縁性基板上Ge1-xSnx薄膜の低温熱電物性2023

    • 著者名/発表者名
      今井志明, 中田壮哉, 木村公俊, 片瀬貴義, 神谷利夫, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 黒澤昌志
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 高濃度n型ドープSi1-xSnx薄膜で観測された巨大熱電能2023

    • 著者名/発表者名
      大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 固相成長法による Si(001)基板上の伸長歪み Ge1-xSnx薄膜の形成2023

    • 著者名/発表者名
      平出達磨, 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 黒澤昌志
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Potential of Silicon-Germanium-Tin Thin Films for Future Thermoelectric Device Applications2023

    • 著者名/発表者名
      M. Kurosawa, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
    • 学会等名
      ISPlasma2023/IC-PLANTS2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigating the superiority of the cavity-free architectural GeSn and Si wires-based thermoelectric generators2023

    • 著者名/発表者名
      M. M. H. Mahfuz, M. Tomita, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
    • 学会等名
      第28回 電子デバイス界面テクノロジー研究会
  • [学会発表] Determination superiority of the cavity-free thermoelectric generators consisting of GeSn and Si wires2022

    • 著者名/発表者名
      M. M. H. Mahfuz, M. Tomita, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
    • 学会等名
      Integrated Nanocomposites for Thermal and Kinetic Energy Harvesting (INTAKE) Seminar 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] 14 族半導体ナノシートの結晶成長とデバイス応用2022

    • 著者名/発表者名
      黒澤昌志
    • 学会等名
      2022年度 東海NFRW・若手チャプタージョイントワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] Investigation of Band Structure in Strained Single Crystalline Si1-xSnx2022

    • 著者名/発表者名
      K. Sahara, R. Yokogawa, Y. Shibayama, Y. Hibino, M. Kurosawa, and A. Ogura
    • 学会等名
      242nd ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular beam epitaxy of Si1-xSnx layers with 10%-Sn content on Si1-yGey buffers2022

    • 著者名/発表者名
      K. Fujimoto, S. Shibayama, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials 2022 (SSDM2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on doping by ion implantation to Si1-xSnx epitaxial layers2022

    • 著者名/発表者名
      T. Oiwa, S. Shibayama, M. Sakashita, M. Kurosawa, and O. Nakatsuka
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials 2022 (SSDM2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Demonstration of The Cavity-Free GeSn and Si Wire Thermoelectric Generators2022

    • 著者名/発表者名
      M. M. H. Mahfuz, K. Katayama, Y. Ito, K. Fujimoto, M. Tomita, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials 2022 (SSDM2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] シリコン系マイクロ熱電発電デバイスの開発2022

    • 著者名/発表者名
      渡邉孝信, 富田基裕, ハサン マフス, 黒澤昌志, 松木武雄, シルビア チュン, 王 海東
    • 学会等名
      M&M2022 材料力学カンファレンス
    • 招待講演
  • [学会発表] 単結晶歪Si1-xSnxのバンド構造評価2022

    • 著者名/発表者名
      佐原敬太, 横川凌, 柴山裕貴, 日比野祐介, 黒澤昌志, 小椋厚志
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Silicon Thermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS Technology2022

    • 著者名/発表者名
      T. Watanabe, M. Tomita, M. M. H. Mahfuz, M. Kurosawa, and T. Matsuki
    • 学会等名
      2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD)
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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