ＰＥＧ修飾生体超分子による精密ナノ構造制御を利用した高効率熱電材料の創製

熱電変換素子はデバイス応用として、一般にn型材料とp型材料を直列に繋いで縦方向に伝熱させるπ型構造で構成される場合が多い。本研究では薄膜熱電材料であるamorphous-InGaZnO(a-IGZO)を用いて面内に横方向の伝熱を実現して高い電力密度を確保することができる薄膜材料用の構造を提案した。昨年度はフレキシブル基板上における動作実証、および、その性能改善に取り組んだ。この構造の詳細を示す。PEN基板上にn型材料であるa-IGZOとITOを直列に繋げたuni-leg構造であり、接合部にヒートガイドとしてKMPRを形成し、基板上に676個のa-IGZO/ITO pairが直列に接続された構造である。熱流はヒートガイドを介すことによって薄膜面内方向に変換される。結果として、作製したa-IGZO/ITO熱電変換素子の抵抗値と電力密度が理論通りになり、透明フレキシブル熱電変換素子の形成及び動作実証に成功した。さらに、出力向上に向けたunit-cellの高密度化に取り組み、1980個のa-IGZO/(Au/Al）pairが直列に接続された高密度構造を作製した。高密度化した熱電変換素子はメタルマスクで作製した熱電変換素子よりも3倍以上の性能を示し、ゼーベック係数と素子数と開放端電圧から膜内に約1 ℃程度の温度差が生じていることが算出でき、その時の出力電力も設計通りになっていることが確認できた。よって、薄膜材料用の熱電変換素子を提案し、フレキシブル基板上への動作実証に成功した。さらに出力向上に向けて半導体形成プロセスを用いて微細・高密度化を行うことで性能が向上した。また、その時の出力電力も理論値と合致していた。また、この構造にBiTeを用いた場合、1 μW/cm2(ΔT=2 ℃)が実現可能である。今後は透明薄膜熱電変換素子の性能向上に向けてp型材料の最適化を検討する必要がある。

熱電変換素子はデバイス応用として、一般にn型材料とp型材料を直列に繋いで縦方向に伝熱させるπ型構造で構成される場合が多い。本研究では薄膜熱電材料であるamorphous-InGaZnO(a-IGZO)を用いて面内に横方向の伝熱を実現して高い電力密度を確保することができる薄膜材料用の構造を提案した。昨年度はフレキシブル基板上における動作実証、および、その性能改善に取り組んだ。この構造の詳細を示す。PEN基板上にn型材料であるa-IGZOとITOを直列に繋げたuni-leg構造であり、接合部にヒートガイドとしてKMPRを形成し、基板上に676個のa-IGZO/ITO pairが直列に接続された構造である。熱流はヒートガイドを介すことによって薄膜面内方向に変換される。結果として、作製したa-IGZO/ITO熱電変換素子の抵抗値と電力密度が理論通りになり、透明フレキシブル熱電変換素子の形成及び動作実証に成功した。さらに、出力向上に向けたunit-cellの高密度化に取り組み、1980個のa-IGZO/(Au/Al）pairが直列に接続された高密度構造を作製した。高密度化した熱電変換素子はメタルマスクで作製した熱電変換素子よりも3倍以上の性能を示し、ゼーベック係数と素子数と開放端電圧から膜内に約1 ℃程度の温度差が生じていることが算出でき、その時の出力電力も設計通りになっていることが確認できた。よって、薄膜材料用の熱電変換素子を提案し、フレキシブル基板上への動作実証に成功した。さらに出力向上に向けて半導体形成プロセスを用いて微細・高密度化を行うことで性能が向上した。また、その時の出力電力も理論値と合致していた。また、この構造にBiTeを用いた場合、1 μW/cm2(ΔT=2 ℃)が実現可能である。今後は透明薄膜熱電変換素子の性能向上に向けてp型材料の最適化を検討する必要がある。