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

利用含有β-FeSi2纳米点的Si纳米结构开发热电性能独立控制技术

• 批准号: 17J00622
• 负责人: 坂根 駿也
• 金额: $ 1.6万
• 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 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J00622/
• 关键词: 熱電材料; ナノドット; 鉄シリサイド; シリコン; 歪み

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。

This study で は, new rules Si thermoelectric materials の open 発 に to け て の alone, very thin Si acidification を membrane technology with い て iron objects シ リ サ イ ド ナ ノ ド ッ ト containing Si thin film を し, 伝 heat conductivity and electric 気 伝 conductivity, ゼ ー ベ ッ ク coefficient の 3 property を independent suppression す る こ と を purpose と し を line っ て research て き た. こ れ ま で objects, iron シ リ サ イ ド ナ ノ ド ッ ト containing Si thin film に お い て, Si layer there are に す る horizon owe 陥 の エ ネ ル ギ ー barrier に よ っ て output factor raised large possibility の が あ る の point in one party で, film owe 陥 が low output factor decrease を recruit い て い る こ と が points か っ た. そ こ で, this year's high temperature は プ ロ セ ス を with い て point owe 陥 を reduce し た iron objects シ リ サ イ ド ナ ノ ド ッ ト containing Si film を as し, higher power factor と low thermal 伝 conductivity を に at the same time to achieve す る こ と を purpose と し た. High temperature で form し た interstate に thin Si acidification membrane が 壊 れ ナ ノ ド ッ ト の shape が collapse れ る こ と を anti ぐ た め, extremely thin Si acidification membrane を い ず に ナ ノ ド ッ ト を formation system of し, high-temperature で す る gimmick を open 発 し た. ま ず, Si (111) substrate に Fe を steamed し た に, after ア ニ ー ル 処 Richard を す る こ と で, steamed し た Fe と Si substrate を anti 応 さ せ objects, iron シ リ サ イ ド ナ ノ ド ッ ト を form し た. The に and Siを high temperatures (750 ℃) で vaporize the する <s:1> とで とでSi layer を to form the た. Written プ ロ セ ス を Qiao り return す こ と で objects, iron シ リ サ イ ド ナ ノ ド ッ ト を containing Si film formation し た. This sample を, ラ マ ン spectrometry を with い て analysis す る と, Si Si の TO フ ォ ノ ン に cause す る ス ペ ク ト ル の half numerical picture が し the low-temperature で cropping た sample と compare し て low cut し て い る こ と か ら, this sample が high crystalline で あ る こ と が confirm さ れ た. ま た line, mobile の determination を っ た と こ ろ, low temperature で cropping し た sample と compare し て mobile degrees の raised large が confirm で き, ボ ル ツ マ ン transportation equation を い た computing に よ り, owe 陥 が reduce し て い る こ と を confirm し た. Youdaoplaceholder0, the test sample さらに, the low-temperature で prepared <s:1> た test sample と, and the comparison of the <s:1> output factor を more than twice that of the <s:1> て show that た た. ま た は で cropping systems at low temperature, heat 伝 conductivity し た sample と equal に バ ル ク Si と compare し て low cut し て い た. す な わ ち, previously い tong り owe 陥 reduced に point よ と り, higher power factor low thermal 伝 conductivity を at the same time be presently す る こ と に successful し た.

项目成果

High thermoelectric performance in high crystallinity epitaxial Si films containing silicide nanodots with low thermal conductivity

含有低热导率硅化物纳米点的高结晶度外延硅薄膜的高热电性能

• DOI: 10.1063/1.5126910
• 发表时间: 2019
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: Sakane Shunya;Ishibe Takafumi;Hinakawa Takahiro;Naruse Nobuyasu;Mera Yutaka;Mahfuz Alam Md.;Sawano Kentarou;Nakamura Yoshiaki
• 通讯作者: Nakamura Yoshiaki

ナノ構造化Si薄膜における構造制御による高熱電性能化

通过纳米结构硅薄膜的结构控制提高热电性能

• 发表时间: 2020
• 作者: 野村 光;Hon Kwan;乘松 拓実;延壽 耕平;安倍 祥;堀内 遊宇;後藤 穣;鈴木 義茂;坂根 駿也
• 通讯作者: 坂根 駿也

Simultaneous realization of thermoelectric power factor enhancement and thermal conductivity reduction in epitaxial Si films containing β-FeSi2 nanodots

含β-FeSi2纳米点的外延硅薄膜同时实现热电功率因数提高和热导率降低

• 发表时间: 2019
• 作者: Shunya Sakane;Takafumi Ishibe;Nobuyasu Naruse;Yutaka Mera;Md. Mahfuz Alam;Kentarou Sawano;Nobuya Mori;and Yoshiaki Nakamura
• 通讯作者: and Yoshiaki Nakamura

Thermoelectric power factor enhancement based on carrier transport physics in ultimately phonon-controlled Si nanostructures

• DOI: 10.1016/j.mtener.2019.04.014
• 发表时间: 2019-09-01
• 期刊: MATERIALS TODAY ENERGY
• 影响因子: 9.3
• 作者: Sakane, Shunya;Ishibe, Takafumi;Nakamura, Yoshiaki
• 通讯作者: Nakamura, Yoshiaki

SiGeナノ構造バルクにおける熱分布を利用した熱電出力因子の増大

利用块状 SiGe 纳米结构中的热分布提高热电功率因数

• 发表时间: 2019
• 作者: 坂根 駿也;石部 貴史;藤田 武志;池内 賢朗;鎌倉 良成;森 伸也;中村 芳明
• 通讯作者: 中村 芳明