β－ＦｅＳｉ２ナノドット含有Ｓｉナノ構造を用いた熱電物性の独立制御技術の開発

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本研究では、新規Si系熱電材料の開発に向けて、独自の極薄Si酸化膜技術を用いて鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、熱伝導率、電気伝導率、ゼーベック係数の3物性を独立制御することを目的として研究を行ってきた。これまで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜において、Si層中に存在する積層欠陥のエネルギー障壁によって出力因子増大の可能性がある一方で、薄膜中の点欠陥が出力因子低減を招いていることが分かった。そこで、本年度は高温プロセスを用いて点欠陥を減少した鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を作製し、高出力因子と低熱伝導率を同時に達成することを目的とした。高温で形成した際に極薄Si酸化膜が壊れナノドットの形状が崩れることを防ぐため、極薄Si酸化膜を用いずにナノドットを形成し、高温で作製する手法を開発した。まず、Si (111) 基板上にFeを蒸着した後に、アニール処理をすることで、蒸着したFeとSi基板を反応させ、鉄シリサイドナノドットを形成した。次に、Siを高温 (750 ℃) で蒸着することでSi層を形成した。上記プロセスを繰り返すことで、鉄シリサイドナノドット含有Si薄膜を形成した。本試料を、ラマン分光法を用いて分析すると、Si-SiのTOフォノンに起因するスペクトルの半値幅が低温で作製した試料と比較して低減していることから、本試料が高結晶性であることが確認された。また、移動度の測定を行ったところ、低温で作製した試料と比較して移動度の増大が確認でき、ボルツマン輸送方程式を用いた計算により、点欠陥が減少していることを確認した。さらに、本試料は、低温で作製した試料と比較して2倍以上高い出力因子を示した。また、熱伝導率は低温で作製した試料と同等にバルクSiと比較して低減していた。すなわち、狙い通り点欠陥減少により、高出力因子と低熱伝導率を同時実現することに成功した。