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2013 年度 実績報告書

変調ドープと結晶粒径極微制御による高移動度・低熱伝導率ナノシリコン熱電材料の創成

研究課題

研究課題/領域番号 25289220
研究種目

基盤研究(B)

研究機関大阪大学

研究代表者

黒崎 健  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90304021)

研究分担者 内田 紀行  独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (60400636)
石丸 学  九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00264086)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2017-03-31
キーワード熱電変換
研究概要

SiとSiGe合金の混合比を8:2、SiGe合金中のSi/Ge比をSi:Ge=8:2と固定して0.8Si-0.2(Si0.8Ge0.2B0.03)組成の試料を作製した。このとき、同じ組成で、一様ドープと変調ドープの二種類の試料を作製した。また、n型材料としては、変調ドープのための電子供給相として、Pを超高ドープしたGeを少量含有するSiを作製した。p型材料の場合、変調ドープ試料が一様ドープ試料よりもわずかに高い出力因子を示した。これは、ゼーベック係数が同程度であるにもかかわらず、変調ドープ試料のほうが一様ドープ試料よりもわずかに高い電気伝導率を示したことに起因する。この結果はまさに変調ドープの原理実証になるものと考えているが、平成26年度以降より詳細に検討していきたい。一方、Pを超高ドープしたGeを少量含有するSiに関しては、通常の解析モデルでは説明できないほどの高い熱電変換性能指数が得られた。透過型電子顕微鏡による極微観察の結果、試料中にたくさんのPリッチナノ析出相が存在していることを確認した。このナノ析出相によりフォノンが効果的に散乱された結果、高い性能指数が得られたものと考えている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の計画では、平成25年度は、SiとSiGe合金の混合比を8:2、SiGe合金中のSi/Ge比をSi:Ge=8:2と固定して、同組成の変調ドープ試料と一様ドープ試料を作製し、それらの各種熱電特性を比較することを計画にあげていた。実際、計画通りの試料を作製することに成功し、熱電特性も評価することができた。加えて、変調ドープのための電子供給相として作製したPを超高ドープしたGeを少量含有するSiが、極めて高い熱電変換性能指数を示すことを見出した。このことは、当初の計画にはあげていなかったので、研究は当初の計画以上に進展しているとした。

今後の研究の推進方策

まずは、当初の計画通り、SiとSiGe合金間で様々な組成、粒径を試しながら、最適な変調ドープ試料を作製し、熱電変換性能指数の向上を試みる。加えて、平成25年度の研究によって高い熱電変換性能指数を有することが明らかとなったPを超高ドープしたGeを少量含有するSiについても、GeおよびPの添加量や粒径、熱処理条件を調整することで、さらなる性能向上を図っていく。

次年度の研究費の使用計画

ほぼ当初の予定通り使用したが、若干の端数が生じたため。加えて、当初は物品として新規で購入予定であったイメージングプレートが、既存のものの修理で代用できたため。
物品費等として使用する。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 3件) 図書 (2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] The effect of Cr substitution on the structure and properties of misfit-layered Ca3Co4-xCrxO9+ thermoelectric oxides2014

    • 著者名/発表者名
      Natkrita Prasoetsopha, Supree Pinitsoontorn, Teerasak Kamwanna, Vittaya Amornkitbamrung, Ken Kurosaki, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      J. Alloys Compd.

      巻: 588 ページ: 199-205

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2013.11.034

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoelectric properties of Tl-filled Co-free p-type skutterudites: Tlx(Fe,Ni)4Sb122014

    • 著者名/発表者名
      Seongho Choi, Ken Kurosaki, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 115 ページ: 023702-1-5

    • DOI

      10.1063/1.4861157

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoelectric properties of Au nanoparticle-supported Sb1.6Bi0.4Te3 synthesized by a gamma-ray irradiation method2014

    • 著者名/発表者名
      Doyoung Jung, Ken Kurosaki, Satoshi Seino, Manabu Ishimaru, Kazuhisa Sato, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      Phys. Status Solidi B

      巻: 252 ページ: 162-167

    • DOI

      0.1002/pssb.201349226

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 熱電材料研究の最新動向2014

    • 著者名/発表者名
      黒崎 健
    • 雑誌名

      工業材料

      巻: 62 ページ: 18-20

  • [雑誌論文] ナノシリコン2014

    • 著者名/発表者名
      大石佑治,宮崎吉宣,エクバル ユスフ,牟田浩明,黒崎 健,山中伸介,石丸 学,内田紀行,多田哲也
    • 雑誌名

      工業材料

      巻: 62 ページ: 39-42

  • [雑誌論文] How thermoelectric properties of p-type Tl-filled skutterudites are improved2013

    • 著者名/発表者名
      Donghun Kim, Ken Kurosaki, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 1 ページ: 032115-1-5

    • DOI

      10.1063/1.4821626

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heavily doped silicon and nickel silicide nanocrystal composite films with enhanced thermoelectric efficiency2013

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Uchida, Tetsuya Tada, Yuji Ohishi, Yoshinobu Miyazaki, Ken Kurosaki, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 114 ページ: 134311-1-6

    • DOI

      10.1063/1.4823814

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Local structure of Fe in Fe-doped misfit-layered calcium cobaltite: An X-ray absorption spectroscopy study2013

    • 著者名/発表者名
      Natkrita Prasoetsopha, Supree Pinitsoontorn, Atipong Bootchanont, Pinit Kidkhunthod, Pornjuk Srepusharawoot, Teerasak Kamwanna, Vittaya Amornkitbamrung, Ken Kurosaki, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      J. Solid State Chem.

      巻: 204 ページ: 257-265

    • DOI

      10.1016/j.jssc.2013.05.038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoelectric properties of chalcopyrite-type CuGaTe2 with Ag substitution into the Cu sites2013

    • 著者名/発表者名
      Aikebaier Yusufu, Ken Kurosaki, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 52 ページ: 081801-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.081801

    • 査読あり
  • [学会発表] タリウムフィルド・コバルトフリーp型スクッテルダイト化合物の熱電特性2014

    • 著者名/発表者名
      黒崎 健
    • 学会等名
      日本金属学会「2014年春期(第154回)大会」
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      20140321-20140323
  • [学会発表] Thermoelectric properties of a nanocomposite composed of Au/AuTe2 nanoparticles and Sb1.6Bi0.4Te3 synthesized by a γ-Ray irradiation method2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Kurosaki
    • 学会等名
      TMS 2014 Annual Meeting & Exhibition
    • 発表場所
      San Diego Convention Center, San Diego, California
    • 年月日
      20140216-20140220
    • 招待講演
  • [学会発表] Introduction of Osaka University & Overview of our activities in thermoelectrics, and Thermoelectric properties of thallium-filled skutterudites: n-type TlxCo4Sb12 and p-type TlxFe1Co3Sb122014

    • 著者名/発表者名
      Ken Kurosaki
    • 学会等名
      Research Workshop at the Faculty of Science and Technology
    • 発表場所
      Rajamangala University of Technology Suvarnabhumi, Thai
    • 年月日
      20140102-20140102
    • 招待講演
  • [学会発表] Ga、In、TlをトリプルフィルドしたCoSb3の熱電特性2013

    • 著者名/発表者名
      黒崎 健
    • 学会等名
      日本金属学会「2013年秋期(第153回)大会」
    • 発表場所
      金沢大学
    • 年月日
      20130917-20130919
  • [学会発表] γ線照射法により作成したAuナノ粒子を含有するBiSbTe合金の熱電特性2013

    • 著者名/発表者名
      黒崎 健
    • 学会等名
      日本熱電学会第10回学術講演会
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      20130908-20130909
  • [学会発表] Thermoelectric properties of thallium-filled skutterudites: n-type TlxCo4Sb12 and p-type TlxFe1Co3Sb122013

    • 著者名/発表者名
      Ken Kurosaki
    • 学会等名
      The 15th Asian Chemical Congress
    • 発表場所
      Resorts World Sentosa, Singapore
    • 年月日
      20130819-20130823
    • 招待講演
  • [学会発表] High-temperature thermoelectric properties of p-type Tl-filled skutterudites: TlxFe1Co3Sb122013

    • 著者名/発表者名
      Ken Kurosaki
    • 学会等名
      The 32nd International Conference on Thermoelectrics, ICT2013
    • 発表場所
      Kobe, Japan
    • 年月日
      20130630-20130704
  • [図書] 「2014 熱電変換材料&デバイス技術大全」(CD-ROM版),第1編,第2章,第1節,熱電変換材料の最新動向2014

    • 著者名/発表者名
      黒崎 健
    • 総ページ数
      200
    • 出版者
      株式会社電子ジャーナル
  • [図書] Nanoscale Thermoelectrics, Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology Vol. 16, Editores: Xiaodong Wang and Zhiming M. Wang, Chapter 10, Thermoelectric properties of CoSb3 based skutterudites filled by group 13 elements2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Kurosaki, Adul Harnwunggmoung, and Shinsuke Yamanaka
    • 総ページ数
      519
    • 出版者
      Springer
  • [備考] 大阪大学大学院工学研究科環境・エネルギー工学専攻環境エネルギー材料工学領域

    • URL

      http://www.see.eng.osaka-u.ac.jp/seems/seems/

  • [備考] ナノスケール構造制御による高効率バルクシリコン熱電材料の開発

    • URL

      http://thermoelectric-nanosilicon.jp/index.html

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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