Fe系ホイスラー合金の結晶規則度制御によるIoT用薄膜熱電変換素子の創製

通过控制铁基霍斯勒合金的晶体规则性创建物联网薄膜热电转换元件

• 批准号: 20J10124
• 负责人: 工藤 康平
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J10124/
• 关键词: 熱電材料; ホイスラー合金; 薄膜; 分子線エピタキシー; スピンギャップレス半導体

本研究は，研究代表者らがこれまで開発してきた「分子線エピタキシー(MBE)法を用いた低環境負荷かつ室温付近で高い熱電性能が期待されるFe系ホイスラー合金薄膜(Fe2VAl)の作製技術」で得られた知見を基に，面内型薄膜熱電変換モジュールへ応用可能な高い熱電性能を有するFe系ホイスラー合金薄膜の実証を目指している．本年度はFe2VAlよりも高い熱電性能が期待されているFe2TiSiに関して，①薄膜の作製及び熱電物性の評価と②Tiの一部をMnで置換して熱電性能の向上を試みた．①に関してはMBE法を用いて単相かつ均一な組成分布の薄膜を350℃で作製することに成功し，Fe2VAl薄膜よりも高いゼーベック係数(S)と低い熱伝導率が得られた．一方でFe2VAl薄膜よりも高い電気抵抗率(ρ)が得られたため，高い熱電性能の実現にはSの絶対値(|S|)を維持したままρを低減するアプローチが必要であると判断した．②に関しては，詳細な構造解析及び熱電物性の測定結果から元素置換に成功し，|S|が大きく減少することなくρの低減を実現した．しかし，得られた熱電性能はBiTe系化合物と比較すると未だ低いため，今後は高い熱電性能を得られることが理論予測されているリン等を元素置換材料に用いて更なる熱電性能の向上を実現する必要がある．また本年度は，熱電性能に大きく影響するフェルミ準位付近に特異なバンド構造を有するスピンギャップレス半導体と呼ばれる新規材料として注目されているMn2CoAlの薄膜作製にも挑戦した．単相かつ均一な組成分布の薄膜作製に成功し，結晶構造と物性の関係を詳細に議論することができた．一方で熱電物性の評価には至らなかったため，今後は熱電物性の評価を行う必要がある．以上の成果は，Fe系ホイスラー合金薄膜の更なる熱電性能の向上並びに新規材料薄膜の実現に向けた次なる課題と指針を呈示したものである．

This study was conducted by the representative of the research team, "Molecular Beam Equation (MBE) Method" Fe-based alloy thin films with low environmental load and high thermoelectric performance are expected to be close to room temperature. (Fe2VAl) manufacturing technology" is based on the in-plane thin film thermoelectric converter It is possible to use a Fe-based alloy thin film with high thermoelectric properties. This year's high thermoelectric performance of Fe2VAl is expected to be high, and Fe2TiSi is expected to be high, ① Evaluation of film fabrication and thermoelectric properties. ② Ti part and Mn replacement were used to test the thermoelectric properties. ① The MBE method is used to produce thin films with a single phase and a uniform composition and distribution at 350℃. Successfully, the Fe2VAl film has a high thermal conductivity (S) and a low thermal conductivity. One side of the Fe2VAl film has a high electric resistance (ρ) and a high thermoelectric performance.にはSのJue対夤(|S|)をMaintenanceしたままρをReduceするアプローチがNecessaryであるとJudgmentした． ② The details of the structure analysis and the measurement results of the thermoelectric physical properties. The element replacement was successful. | S| The thermoelectric properties of BiTe-based compounds are relatively low, and the thermoelectric properties of BiTe-based compounds will be high in the future. Theoretical predictions of ることがされているリン and other を element replacement materials are used and the thermoelectric properties are improved and the necessary する is necessary. This year, the thermoelectric performance has a large impact and the level of the thermoelectric properties is close to the specific structure.ップレス Semiconductor とcall ばれるNew regulation materials としてAttention されているMn2CoAl thin film production にも选戦した。 The film with a single phase and a uniform composition distribution has been successfully produced, and the relationship between the crystal structure and physical properties has been discussed in detail. On the one hand, the evaluation of thermoelectric physical properties has been carried out until now, and in the future, the evaluation of thermoelectric physical properties will be necessary. As a result of the above, the improvement of thermoelectric properties of Fe-based alloy thin films and the improvement of new regulation material thin films have been demonstrated in the project and pointer.

项目成果

Observation of room-temperature spin transport in Ge-based lateral spin-valve devices with low-temperature grown Co2MnSi electrodes

采用低温生长 Co2MnSi 电极观察 Ge 基横向自旋阀器件中的室温自旋输运

• 发表时间: 2020
• 作者: K. Kudo;M. Yamada;S. Honda;S. Yamada;K. Sawano and K. Hamaya
• 通讯作者: K. Sawano and K. Hamaya

Electric field tunable anisotropic magnetoresistance effect in an epitaxial Co2FeSi/BaTiO3 interfacial multiferroic system

• DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.014412
• 发表时间: 2021-01
• 期刊: Physical Review Materials
• 影响因子: 3.4
• 作者: S. Yamada;Y. Teramoto;D. Matsumi;D. Kepaptsoglou;I. Azaceta;T. Murata;K. Kudo;V. Lazarov;T. Taniyama;K. Hamaya

Influence of external temperature on interface spin polarization of ferromagnet-semiconductor heterostructures

外部温度对铁磁体-半导体异质结构界面自旋极化的影响

• 发表时间: 2020
• 作者: Michihiro Yamada;Yu Shiratsuchi;Hiroto Kambe;Kohei Kudo;Shinya Yamada;Kentarou Sawano;Ryoichi Nakatani;Kohei Hamaya
• 通讯作者: Kohei Hamaya

Co2FeSi/BaTiO3界面マルチフェロイク構造における異方性磁気抵抗効果の電界変調

Co2FeSi/BaTiO3界面多铁结构中各向异性磁阻效应的电场调制

• 发表时间: 2020
• 作者: 寺本侑樹;山田晋也;工藤康平;谷山智康;浜屋宏平
• 通讯作者: 浜屋宏平

Half-metallic nature of the low-temperature grown Co2MnSi films on SrTiO3

• DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155571
• 发表时间: 2021-02
• 期刊: Journal of Alloys and Compounds
• 影响因子: 6.2
• 作者: K. Kudo;S. Yamada;M. Yafuso;T. Kimura;V. Lazarov;K. Hamaya