格子欠陥エンジニアリングによるMg系ジントル相熱電材料の半導体特性制御

晶格缺陷工程控制镁基Zintl相热电材料的半导体性能

• 批准号: 21K04718
• 负责人: 谷 淳一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04718/
• 关键词: 熱電変換材料; 格子欠陥制御; ジントル相; 薄膜; スパッタ法; ポストアニール; パルス通電焼結; 酸化物還元法

Mg系半導体は、資源豊富、軽量であり、熱電変換材料、赤外線センサーなどへの応用が期待できる。本研究課題では、Mg系ジントル相熱電材料の格子欠陥エンジニアリングに着目し、半導体特性制御のための、バルク・薄膜の加工技術の開発を行う。バルク材料の高性能化に向けた研究が実施されているものの、薄膜材料に関する報告は少ない。本年度は、室温付近での利用が期待されるMg3Bi2薄膜に着目し、マグネトロンスパッタ法による成膜条件と熱電特性について検討を行い、以下の成果が得られた。1.　 ターゲットとしてBiディスクとMgディスクを使用し、初めBi薄膜、その後Mg薄膜をガラス基板上に室温で製膜した。得られたMg/Bi 2層薄膜をポストアニール処理することで、Mg3Bi2薄膜の作製を行った。ポストアニール温度の上昇に伴い、Mg3Bi2の生成量は増加した。Biの融点である544K以上の温度では、下地のBi薄膜の微細構造が大きく変化することから、2段階のポストアニール処理 (523K 1h+673K 1h)を実施した。その結果、Mg3Bi2相と極微量のBi相から構成された組成の均一な薄膜を作製することに成功した。本研究で作製した薄膜は、ランダム配向の多結晶体であり、Halder-Wagner法により求めた結晶子サイズは26nmであることが分かった。2. 　本研究で成膜したMg3Bi2薄膜はp型の特性を示し、室温のキャリア濃度と移動度は、それぞれ2.0×10＾20cm-3 and 11cm2/Vsの値であった。また、電気抵抗率とゼーベック係数から算出した熱電パワーファクターの最大値は565 Kにおいて0.89μW/cmK2であり、メカニカルアロイング法を用いて作製したバルク材料の文献値と良い一致を示した。

Mg of semiconductor は, aboundant resources, 軽 で あ り, thermoelectric variations in materials, red outside セ ン サ ー な ど へ の 応 with が expect で き る. This research topic で は, Mg ジ ン ト ル phase thermoelectric materials の grid owe 陥 エ ン ジ ニ ア リ ン グ に mesh し, semiconductor features suppression の た め の, バ ル ク の, film processing technology の open 発 う を line. バ ル ク material の high performance-based に け た research が be applied さ れ て い る も の の, thin film materials に masato す る report less は な い. は, room temperature this year to pay nearly で の using が expect さ れ る Mg3Bi2 film に mesh し, マ グ ネ ト ロ ン ス パ ッ タ method に よ る film-forming condition と thermoelectric properties に つ い て 検 line for を い, the following の results が ら れ た. 1. タ ー ゲ ッ ト と し て Bi デ ィ ス ク と Mg デ ィ ス ク を use し, early め Bi film, そ の Mg film after を ガ ラ に ス substrates at room temperature で membrane し た. To obtain a られたMg/Bi 2-layer film, をポストアニ をポストアニ とで processing する とで とで and Mg3Bi2 film <s:1> fabrication を line った. Youdaoplaceholder0 ポストアニ the temperature <s:1> rises and に is accompanied by a <s:1> increase in the production of ポストアニ and the amount of Mg3Bi2 <e:1> increases by た た. Bi の melting point で あ る temperature above 544 k の で は above or の Bi film の fine-structure が big き く variations change す る こ と か ら, 2-stage の ポ ス ト ア ニ ー ル 処 principle (1 h 523 k + 673 k 1 h) を be applied し た. そ の results, Mg3Bi2 と trace amounts の Bi phase か ら constitute さ れ た composition の な uniform film を cropping す る こ と に successful し た. This study で cropping し た film は, ラ ン ダ ム match to の many crystals で あ り, Halder - Wagner に よ り o め た crystallization son サ イ ズ は 26 nm で あ る こ と が points か っ た. 2. This study で film-forming し た Mg3Bi2 film は p-type の features を し, room temperature の キ ャ リ ア concentration と mobile は, そ れ ぞ れ 2.0 x 10 20 cm ^ 3 and 11 cm2 / Vs の numerical で あ っ た. ま た, electricity 気 resistance と ゼ ー ベ ッ ク coefficient か ら calculate し た thermoelectric パ ワ ー フ ァ ク タ ー の nt biggest は 565 K に お い て 0.89 mu W/cmK2 で あ り, メ カ ニ カ ル ア ロ イ ン を グ method with い て cropping し た バ ル ク materials consistent good numerical と い を の literature and shown し た.

项目成果

マグネシウム系熱電変換材料の高性能化と製造プロセスの開発

提高镁基热电转换材料的性能并开发制造工艺

• 发表时间: 2021
• 作者: 伊藤 綾香;万谷 義和;國毋優香，阿相英孝;谷 淳一
• 通讯作者: 谷 淳一

Mg/Bi 2 層薄膜のポストアニール処理による Mg3Bi2薄膜の作製と熱電特性

Mg/Bi两层薄膜后退火制备Mg3Bi2薄膜及热电性能

• 发表时间: 2023
• 作者: 谷 淳一;石川弘通
• 通讯作者: 石川弘通

Fabrication and analysis of Mg3Bi2 thin films by post annealing Mg/Bi bilayer thin films

后退火 Mg/Bi 双层薄膜的 Mg3Bi2 薄膜的制备和分析

• DOI: 10.1016/j.matlet.2022.133460
• 发表时间: 2023
• 期刊: Materials Letters
• 影响因子: 3
• 作者: Ngoc Quang Trinh;Shinichi Tashiro;Tetsuo Suga;Tomonori Kakizaki;Kei Yamazaki;Ackadech Lersvanichkool;Hanh Van Bui;Manabu Tanaka;Jun-ichi Tani and Hiromichi Ishikawa
• 通讯作者: Jun-ichi Tani and Hiromichi Ishikawa

ジントル相Mg3Sb2系熱電変換材料の高性能化と課題

Zintl相Mg3Sb2热电转换材料的高性能与挑战

• 发表时间: 2021
• 期刊: ニューセラミックスレター
• 作者: Ngoc Quang Trinh;Shinichi Tashiro*;Tetsuo Suga;Tomonori Kakizaki;Kei Yamazaki;Tomozaku Morimoto;Hiroyuki Shimizu;Ackadech Lersvanichkool;Hanh Van Bui;Manabu Tanaka;國毋優香，阿相英孝;谷 淳一
• 通讯作者: 谷 淳一