Independent control of electron and phonon by zero or one dimensional nanostructures for high-performance transparent thermoelectric materials

零维或一维纳米结构对电子和声子的独立控制用于高性能透明热电材料

• 批准号: 17J00328
• 负责人: 石部 貴史
• 金额: $ 1.22万
• 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: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J00328/
• 关键词: 熱電変換; 酸化亜鉛; ナノワイヤ; ゼーベック係数; 熱伝導率; 酸化物; 透明導電膜; ナノドット; パルスレーザー堆積法

本研究の目的は、酸化亜鉛（ZnO）ナノワイヤをZnO膜中に導入することで、ナノワイヤ界面でのフォノン散乱増大による熱伝導率の低減、及び低次元構造による出力因子の増大を同時実現することにある。昨年度、ナノワイヤを導入した“ZnOナノワイヤ埋め込み構造”とナノワイヤを含まない“ZnO膜”の出力因子を比較した。結果、ナノワイヤを導入することで、ZnO膜と比較してゼーベック係数の大幅な増大を観測し、出力因子を2倍以上増大することに成功した。今年度は、1上記、出力因子増大機構の解明、2ナノワイヤ導入による熱伝導率低減効果の実証を行った。以下、具体的内容を述べる。1出力因子増大機構の解明。　低温下（70-300 K）における移動度、ゼーベック係数の温度依存性の結果、キャリア輸送は界面に律速されており、その界面では、20 meV程度のエネルギー障壁が存在することが明らかになった。TEM-EDX観察の結果、ナノワイヤはコアシェル構造を有し、そのコアとシェルの界面はエピタキシャル界面であることが確認され、そこでは、局所的なZn濃度の減少が観測された。このZnドーパント濃度変調されたコアシェル界面が作るエネルギー障壁により、ゼーベック係数が増大し、出力因子増大が実現されたと考えられる。2 ナノワイヤ導入による熱伝導率低減効果の実証。ナノワイヤ面密度: 1×109 cm-2程度のナノワイヤを導入した“ZnOナノワイヤ埋め込み構造”とナノワイヤを含まない“ZnO膜”の熱伝導率を比較したところ、それぞれ17.5 Wm-1K-1、21.3 Wm-1K-1と測定された。この結果、ナノワイヤを導入することで、約20 %の熱伝導率低減に成功した。これは、ナノワイヤと膜の界面でのフォノン界面散乱が促進されたことによると考えられ、戦略通り、出力因子増大と同時に熱伝導率低減にも成功したと言える。

Purpose this study の は, acidification 亜 lead (ZnO) ナ ノ ワ イ ヤ を に in ZnO film import す る こ と で, ナ ノ ワ イ ヤ interface で の フ ォ ノ ン scattered rights big に よ る 伝 heat conductivity の is low, reduce, and び low dimensional structures に よ の raised large を る output factor at the same time be now す る こ と に あ る. Last year, ナ ノ ワ イ ヤ を import し た "ZnO ナ ノ ワ イ ヤ buried め 込 み structure" と ナ ノ ワ イ ヤ を containing ま な い "ZnO film" を の output factor comparison し た. Results, ナ ノ ワ イ ヤ を import す る こ と で, ZnO film と compare し て ゼ ー ベ ッ ク coefficient の な sharply raised large を 観 し measurement, large output factor を 2 times raised す る こ と に successful し た. This year, による, 1, the output factor increased, the institution <s:1> explained, 2, ナノワ ヤ ヤ introduced による low thermal 伝 conductivity reduced effect <s:1> actual evidence を is を feasible った. The following, the specific content を describes べる. The output factor increases as explained by the institution. Low temperature (70-300 K) に お け る mobile degrees, ゼ ー ベ ッ ク coefficient の temperature dependency の results, キ ャ リ ア に law は interface velocity さ れ て お り, そ の interface で は, degree of 20 meV の エ ネ ル ギ ー barrier が exist す る こ と が Ming ら か に な っ た. TEM, EDX 観 の results, ナ ノ ワ イ ヤ は コ ア シ ェ ル tectonic を し, そ の コ ア と シ ェ ル の interface は エ ピ タ キ シ ャ ル interface で あ る こ と が confirm さ れ, そ こ で は, bureau な zinc concentration の reduce が 観 measuring さ れ た. こ の zinc ド ー パ ン ト concentration - adjustable さ れ た コ ア シ ェ が ル interface for る エ ネ ル ギ ー barrier に よ り, ゼ ー ベ ッ ク coefficient が raised し and large output factor raised が be presently さ れ た と exam え ら れ る. 2 ナノワ ヤ ヤ introduction of による with low thermal 伝 conductivity reduction effect <s:1> practical evidence. ナ ノ ワ イ ヤ surface density: 1 x 109 cm to 2 degree の ナ ノ ワ イ ヤ を import し た "ZnO ナ ノ ワ イ ヤ buried め 込 み structure" と ナ ノ ワ イ ヤ を containing ま な い "ZnO film" の 伝 heat conductivity を compare し た と こ ろ, そ れ ぞ れ Wm 17.5-1-1 k, 21.3 k Wm - 1-1 と determination さ れ た. The <s:1> <s:1> result, ナノワ ヤを ヤを import する とで とで, approximately 20% <s:1> thermal 伝 conductivity reduction に successful た た. こ れ は, ナ ノ ワ イ ヤ と membrane の interface で の フ ォ ノ ン interface scattered が promote さ れ た こ と に よ る と exam え ら れ, 戦 り and power factor raised slightly big と に heat at the same time 伝 low permeability reduction に も successful し た と said え る.

项目成果

THERMOELECTRIC PERFORMANCES CONTROLLED BY NANOSCALE INTERFACES IN TRANSPARENT EMBEDDED-ZNO NANOWIRES STRUCTURE

透明嵌入 ZNO 纳米线结构中纳米级界面控制的热电性能

• 发表时间: 2017
• 作者: Takafumi Ishibe;Atsuki Tomeda;Kentaro Watanabe;Yoshiaki Nakamura
• 通讯作者: Yoshiaki Nakamura

ナノワイヤ導入による透明ZnO系薄膜の出力因子増大

通过引入纳米线提高透明氧化锌基薄膜的输出系数

• 发表时间: 2017
• 作者: 石部 貴史;留田 純希;渡辺 健太郎;中村 芳明
• 通讯作者: 中村 芳明

ナノ構造・物性制御グループ 中村研究室

纳米结构/物理性质控制组中村实验室

Resistive switching at the high quality metal/insulator interface in Fe3O4/SiO2/α-FeSi2/Si stacking structure

• DOI: 10.1063/1.5048827
• 发表时间: 2018-10-01
• 期刊: APPLIED PHYSICS LETTERS
• 影响因子: 4
• 作者: Ishibe, Takafumi;Kurokawa, Tsubasa;Nakamura, Yoshiaki
• 通讯作者: Nakamura, Yoshiaki

日本熱電学会誌

日本热电学会会刊

• 发表时间: 2017
• 作者: Yoshiaki Nakamura;Tomohiro Ueda;Masayuki Isogawa;Shuto Yamasaka;Shotaro Takeuchi;and Akira Sakai;中村芳明;中村芳明
• 通讯作者: 中村芳明