Nanostructuring with Functional Particles and Metal Doping to Enhance the Performance of Bulk Thermoelectric Material

本研究では，熱電デバイスへの実装を想定した高速焼結による低熱伝導率バルク熱電材料の作製手法を開発し，安価なシリコン熱電材料の熱電変換効率および費用対効果を向上を目的に研究を進めてきた．前回報告の時点では，高速焼結により粒成長を抑制し，熱伝導率を低減させつつも，高い電気特性をもつ，シリコンバルク熱電材料を作製できる高速焼結手法を確立し，報告した．その後は，メカニズム解明に注力し，物性測定・構造解析を中心に研究を進めてきた．低圧かつ高速で焼結を行うことで，ナノ粒子が部分的に接合された狭い伝導路を持つナノ粒子がネットワーク化される．この手法で部分的に接合した界面にはひずみが印加され，XRD，ラマン分光，音速測定，AFMナノインデンテーションなどの種々の構造解析から定量的に材料内，特に界面においてLattice softeningの効果が確認された．Lattice softeningの効果により，界面での高い電子透過率を維持しながら，フォノン輸送を優先的に抑制することが可能となり，結果として，ｎ型とp型両方のバルクシリコン材料において，727Kで0.6-0.7，室温で0.1-0.2という高いｚTを記録した．これは従来のバルクシリコン材料の5～10倍に相当する．また，このような性能が高い材料を開発できたことに触発され，実際に構造最適化を行ったデバイスに搭載し，IoTデバイスのデモ実験も行った．6対のｎ，ｐ型の素子（一素子あたりのサイズ：2×2×8mm^3）において，熱源と室温の温度差が約75℃の環境下では65.0μW/cm2の発電量が確認され，実際にIoTデバイスに接続した場合にも，24時間の間に平均36分の間隔でセンシング出来ることが確認された．

本研究では，熱電デバイスへの実装を想定した高速焼結による低熱伝導率バルク熱電材料の作製手法を開発し，安価なシリコン熱電材料の熱電変換効率および費用対効果を向上を目的に研究を進めてきた．前回報告の時点では，高速焼結により粒成長を抑制し，熱伝導率を低減させつつも，高い電気特性をもつ，シリコンバルク熱電材料を作製できる高速焼結手法を確立し，報告した．その後は，メカニズム解明に注力し，物性測定・構造解析を中心に研究を進めてきた．低圧かつ高速で焼結を行うことで，ナノ粒子が部分的に接合された狭い伝導路を持つナノ粒子がネットワーク化される．この手法で部分的に接合した界面にはひずみが印加され，XRD，ラマン分光，音速測定，AFMナノインデンテーションなどの種々の構造解析から定量的に材料内，特に界面においてLattice softeningの効果が確認された．Lattice softeningの効果により，界面での高い電子透過率を維持しながら，フォノン輸送を優先的に抑制することが可能となり，結果として，ｎ型とp型両方のバルクシリコン材料において，727Kで0.6-0.7，室温で0.1-0.2という高いｚTを記録した．これは従来のバルクシリコン材料の5～10倍に相当する．また，このような性能が高い材料を開発できたことに触発され，実際に構造最適化を行ったデバイスに搭載し，IoTデバイスのデモ実験も行った．6対のｎ，ｐ型の素子（一素子あたりのサイズ：2×2×8mm^3）において，熱源と室温の温度差が約75℃の環境下では65.0μW/cm2の発電量が確認され，実際にIoTデバイスに接続した場合にも，24時間の間に平均36分の間隔でセンシング出来ることが確認された．