低次元構造とキャリア数制御に基づくナノスケール熱電現象の開拓

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優れた熱電変換効率を有する熱電素子の実現に向け、低次元複合材料やナノ材料における熱電効果の研究が世界中で進められている。新規材料の合成、新たな理論計算や評価手法の開発に基づいた、次世代の新規熱電材料の開拓を継続的に進める必要がある。本研究では、様々なナノ材料の熱電特性を評価する方法の開発と、それを実際に熱電材料探索に適用する。本年度は、酸化タングステン(WO3)の薄膜作製および熱電効果の測定を行った。WO3薄膜は、土台となる基板の材料を適切に選択することにより、結晶構造を制御することができる。本研究ではイットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板上に、数ナノメートルから数十ナノメートルの厚さのWO3薄膜を作製した。フォトリソグラフィーにより、WO3薄膜を半導体チャネルとする電界効果トランジスタ構造を作製し、また同一基板上に温度計とヒーターを金属蒸着により作製した。これにより、試料温度とWO3薄膜中のキャリア密度を連続的に変化させながら、WO3の熱電効果を測定することが可能になる。イオン液体をゲート絶縁体とし、0 Vから3.9 Vのゲート電圧を印加したところ、電気抵抗の温度依存性が絶縁体的な振る舞いから金属的なものへ変化した。同時にゼーベック係数を測定したところ、ゲート電圧の増加に伴い、絶対値が減少した。これらの結果は、ゲート電圧の印加により、WO3薄膜に連続的に電子キャリアが注入されていることを示す。さらに、10 Kから室温までの温度範囲、0 Vから3.9 Vのゲート電圧の範囲で熱電出力因子を系統的に測定した結果、半導体から金属的な電子状態に移り変わるキャリア密度領域で最適化されることがわかった。本成果はScientific Reports 12, 7202 (2022).において報告した。今後、国内外の学会で本成果を発表する。