狭ギャップ半導体の量子輸送制御による高環境調和型熱電変換シートの開発

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軽くてやわらかいプラスチック上に熱電材料を薄膜合成した「フレキシブル熱電変換シート」は、IoT社会で不可欠となる微小エネルギー（μW～mW）を利用したセンサやウェアラブル・デバイスへの応用が期待されている。その社会実装には、無毒で安全かつ高い信頼性をもつエコマテリアルの選択が重要となる。本研究では、狭ギャップ環境半導体であるGe系IV族混晶の熱電薄膜としての高いポテンシャルを実証する。研究代表者はこれまで、プラスチック上Ge膜においてキャリアの粒界障壁を劇的に低減し、多結晶薄膜として世界最高のキャリア移動度を達成した。本技術をベースとし、「混晶」「粒界」「フェルミ準位」の3要素と量子（キャリア・フォノン）輸送特性の相関を解明・制御するとともに、高環境調和型熱電変換シートとして最高性能（室温、微小温度差でμW出力）を実証することを目的とする。昨年度は、IV族材料2元混晶（GeSiおよびGeSn）において、電気的特性を簡易に制御可能な拡散材塗布による不純物ドーピングを検討し、p型およびn型伝導制御を可能とするとともに、両材料においてGeを凌駕する優れた熱電性能を実証した。これらの知見を活かし、本年度は、3元混晶（GeSiSn）化による熱電特性の高性能化を検討した。その結果、3元混晶化が導電率と熱伝導率を共に低下させることが明らかとなった。GeSiSnの組成を最適化することによって、Ge由来の高い導電率を維持しながら低い熱伝導率を得ることに成功し、無次元性能指数はIV族半導体系熱電材料として高い値を示した。今後、プラスチック上展開に向けたプロセス温度の低減およびデバイス実証に向けて研究を推進する。