擬二次元性を用いた熱電性能向上の物理に基づく新規高性能層状熱電材料の開発

开发基于物理的新型高性能层状热电材料，利用准二维提高热电性能

• 批准号: 22KJ2052
• 负责人: 上松 悠人
• 金额: $ 1.41万
• 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: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2052/
• 关键词: 熱電材料; 二次元; 層状物質; 二次元電子ガス; 熱電変換; 電気二重層

本研究では、擬二次元的な電子・フォノンの伝導特性を用いた高性能熱電薄膜の開発を目的としている。2022年度は、GaAs系二次元電子ガスを用いた擬二次元系における熱電性能向上の学理構築と、層状物質GeH薄膜の熱電特性の測定を試みた。まず、GaAs系二次元電子ガスにおける熱電性能を測定し、それが従来理論での熱電出力因子の増大率を大きく上回ることを観測した。その要因を明らかにするために、擬二次元系の電子状態密度、および電子輸送における散乱機構の詳細な解析を行った。その結果、本研究で設計したGaAs系二次元電子ガスにおいて、従来の熱電出力因子増大率の理論予測を約4倍上回る大きな増大率を示すことを実験と理論の両面から明らかにした。これは、電子の閉じ込め幅のみに注目した従来の擬二次元系の設計に新たな可能性をもたらす成果といえる。また、擬二次元性を用いた熱電性能向上の物理を層状物質GeHに適用するために、GeH薄膜の作製にも取り組んでいる。こちらでは、Ge基板上の表面平坦GeH薄膜の形成には成功しているが、当初予定していたイオン液体を用いた電気二重層トランジスタによって試料表面に伝導チャネルを形成する際に、キャリア注入量が想定よりも少ないため、測定においてGe基板を流れるキャリアの影響が大きいという課題が生じた。そこで、基板をより高抵抗なSi基板に変更して、GeH薄膜を形成することを試みた。低温Geバッファ層上に高温Ge薄膜を形成する二段階成長法によって形成した高結晶性Ge薄膜をもとに前駆体CaGe2をエピタキシャル成長させ、それを塩酸と反応させることで、単結晶GeH薄膜をSi基板上に形成することに成功した。来年度は、このGeH薄膜の表面平坦化やドーピングによって、熱電特性を明らかにすることを行う予定である。

This study で は, quasi two dimensional な electronic · フ ォ ノ ン の 伝 guide features を with い た high-performance thermoelectric film の open 発 を purpose と し て い る. In 2022, the <s:1> and Gaas-based two-dimensional electronics ガスを constructed と and determined the <s:1> thermoelectric properties <e:1> of layered GeH films using the <s:1> た theory of the upward flow of thermoelectric properties of the <s:1> two-dimensional system における using the ガスを た theory. Youdaoplaceholder4 test みた ま ず, GaAs secondary yuan electronic ガ ス に お け る thermoelectric performance を し, そ れ が 従 to theoretical で の thermoelectric power factor の raised DaLv を big き く last る こ と を 観 measuring し た. そ の by を Ming ら か に す る た め に, quasi two dimensional の density of electronic states, お よ び electronic transmission に お け る scattered institutions の detailed analytical line を っ な た. そ の results, this study で design し た GaAs is secondary yuan electronic ガ ス に お い て, 従 to の thermoelectric power factor raised DaLv の を theory to the test about 4 times last time る き な raised DaLv を shown す こ と を be 験 と theory の struck surface か ら Ming ら か に し た. こ れ は, electronic の closed じ 込 め picture の み に attention し た 従 to の quasi two dimensional design is の に new た な possibility を も た ら す results と い え る. ま た, quasi two dimensional を with い た thermoelectric performance の physical を layered material up GeH に applicable す る た め に, GeH film の cropping に も group take り ん で い る. こ ち ら で は, Ge, flat の GeH film formation on the surface of the substrate の に は successful し て い る が, had designated し て い た イ オ ン liquid を with い た electric double layer ト 気 ラ ン ジ ス タ に よ っ て sample surface に 伝 guide チ ャ ネ ル を form す る interstate に, キ ャ リ ア injection が scenarios よ り も less な い た め, determining に お い て Ge substrate を flow れ る キ ャ Youdaoplaceholder0 リア has a significant impact on が, リア と う う, が students じた. そ こ で, substrate を よ り high resistance な Si substrate に - more し て, GeH film を form す る こ と を try み た. Low-temperature Ge バ ッ フ ァ に high-temperature を Ge film formed on the layer す る Duan Jie growth method に よ っ て form し た high crystalline Ge film を も と に 駆 body before CaGe2 を エ ピ タ キ シ ャ ル growth さ せ, そ れ を acid salt と anti 応 さ せ る こ と で, film crystallization 単 GeH を Si substrate に form す る こ と に successful し た. To annual は, こ の の GeH film surface flat や ド ー ピ ン グ に よ っ て, thermoelectric properties を Ming ら か に す る こ と を line う designated で あ る.

项目成果

極小熱伝導率を有する単結晶ゲルマナン薄膜の創製

创造具有最小热导率的单晶德国薄膜

• 发表时间: 2022
• 作者: 上松 悠人;寺田 吏;石部 貴史;中村 芳明
• 通讯作者: 中村 芳明

熱電発電応用に向けたエピタキシャルGeH薄膜/Geの作製と伝熱特性

热电发电用外延GeH薄膜/Ge的制备及其传热性能

• 发表时间: 2023
• 作者: 上松 悠人;寺田 吏;佐藤 健人;石部 貴史;中村 芳明
• 通讯作者: 中村 芳明

Formation and Thermal Conductivity Measurements of Layered Germanane Films for Thermoelectrics

热电材料用层状锗烷薄膜的形成和导热率测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuto Uematsu;Tsukasa Terada;Takafumi Ishibe;Yoshiaki Nakamura
• 通讯作者: Yoshiaki Nakamura

Investigation of thermal conductivity in epitaxial germanane films

外延锗烷薄膜的热导率研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Y. Uematsu;T. Terada;T. Ishibe;and Y. Nakamura
• 通讯作者: and Y. Nakamura