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

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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。