Development of Si-based Dirac electron superlattice and its thermoelectric devices based on phonon and electron trapsport physics

高性能熱電材料として、Si系の二次元シート含有人工超格子に注目して、薄膜形成および熱電性能向上の研究を行っている。まず、令和２年度に、Si系二次元層状物質であるCaSi2の創製を行った。しかし、令和２年度に見出した成長方法で形成したCaSi2薄膜には、劣化現象が見出された。そこで、本年度は、劣化現象を防ぐ処理を開発し、これを施した試料の熱電特性を評価する計画で研究を行った。本年度、薄膜の表面に様々な保護層を形成し、その結果、アモルファスSiキャップをすることで劣化現象を大幅に抑制することができることを見出した。次に、この劣化防止処理を施すことで、可能となったCaSi2薄膜の熱電特性評価を行った。まず、通常のCaSi2薄膜と原子層制御したCaSi2薄膜の移動度と熱電特性（電気伝導率とゼーベック係数）の測定を行った。その結果、原子層制御したCaSi2において、予想以上に大きなゼーベック係数が発現することを見出した。そこで、どのような条件でより大きな出力因子を示す薄膜が形成可能であるのかを探るため、組成比制御、形状制御しながら薄膜成長を行った。その結果、原子の相互拡散による固相成長を促すことが重要な条件であることを見出した。この原因究明により、高いゼーベック係数の薄膜を再現性良く作製できることが可能となった。従来予想を超える高いゼーベック係数の発現は学術的に大きな意味を持つものであり、それが自在に形成できるようになったのは大きな研究の進展といえる。

高性能熱電材料として、Si系の二次元シート含有人工超格子に注目して、薄膜形成および熱電性能向上の研究を行っている。まず、令和２年度に、Si系二次元層状物質であるCaSi2の創製を行った。しかし、令和２年度に見出した成長方法で形成したCaSi2薄膜には、劣化現象が見出された。そこで、本年度は、劣化現象を防ぐ処理を開発し、これを施した試料の熱電特性を評価する計画で研究を行った。本年度、薄膜の表面に様々な保護層を形成し、その結果、アモルファスSiキャップをすることで劣化現象を大幅に抑制することができることを見出した。次に、この劣化防止処理を施すことで、可能となったCaSi2薄膜の熱電特性評価を行った。まず、通常のCaSi2薄膜と原子層制御したCaSi2薄膜の移動度と熱電特性（電気伝導率とゼーベック係数）の測定を行った。その結果、原子層制御したCaSi2において、予想以上に大きなゼーベック係数が発現することを見出した。そこで、どのような条件でより大きな出力因子を示す薄膜が形成可能であるのかを探るため、組成比制御、形状制御しながら薄膜成長を行った。その結果、原子の相互拡散による固相成長を促すことが重要な条件であることを見出した。この原因究明により、高いゼーベック係数の薄膜を再現性良く作製できることが可能となった。従来予想を超える高いゼーベック係数の発現は学術的に大きな意味を持つものであり、それが自在に形成できるようになったのは大きな研究の進展といえる。