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

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。