半導体超格子構造を有する高性能平面型熱電変換デバイスの実現

半导体超晶格结构高性能平面热电转换器件的实现

• 批准号: 22KJ0939
• 负责人: 小池 壮太
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 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-22KJ0939/
• 关键词: 熱電変換; ホイスラー合金

本研究では、室温付近で非常に高い熱電性能を持つホイスラー合金薄膜を用いた、高性能な熱電変換デバイスの実現を目標としている。まず、面積当たりの発電性能を最大化するため、発電性能を算出するシミュレーターを3次元有限要素法により構築し、面積当たりの発電電力を最大化する構造設計を行った。デバイスの構造パラメーターを系統的に変化させ、様々なデバイス構造において性能を算出することで得られた理想的なデバイスデザインで、約270(μW/cm2/K2)の出力電力密度となった。これは、バルクBiTeを用いた市販の熱電素子を超える性能であり、室温環境での用途としてBiTe系材料に代わる熱電デバイスの実現が期待される。それに加えて、基板上に集積される薄膜型熱電変換デバイスの実現には作製プロセスの開発が必要不可欠であった。ホイスラー合金のべた膜からデバイス構造に加工するエッチングプロセスでは、厚いハードマスクを作製し、適切な反応性ガスを用いることで目的のデバイス構造への加工を可能にした。本研究の薄膜型熱電デバイスは、ホイスラー合金薄膜を加工したデバイス基板に対して、上部キャビティを形成するためのキャップウエハを貼り合わせることで作製される。キャップウエハは基板からリリースされた電極部分にのみ接触するようになっており、基板との接触が残っている高温側との間で温度差が生まれ膜内に電圧が生じる。実際に、デバイスチップの上下面に印加された温度差に対する発電電圧を測定し、温度差に従って線形に発電電圧が増加している様子がみられ、ホイスラー合金を用いた薄膜型熱電変換デバイスの動作を初めて確認した。

这项研究旨在使用在室温下具有极高的热电性能的高性能薄膜实现高性能热电转换装置。首先，为了最大程度地提高每个区域的发电性能，使用3D有限元方法构建了用于计算发电性能的模拟器，并进行了结构设计以最大程度地发电。理想的设备设计是通过系统地更改设备的结构参数并计算各种设备结构中的性能，从而获得了理想的设备设计，从而导致输出功率密度约为270（μW/cm2/k2）。这种性能超过了商业热电元素，并有望创建一种热电设备，以取代基于咬合的材料以在室温环境中使用。此外，制造工艺的开发对于实现薄膜热电转换装置集成在基板上至关重要。在蚀刻过程中，将赫斯勒合金的固体膜被加工到设备结构中，制造了厚的硬面膜，并使用合适的反应性气体来使可以加工成所需的设备结构。这项研究的薄膜热电设备是通过粘贴帽晶片来制造的，用于用heusler Alloy薄膜处理的设备底物形成上腔。使盖晶片仅接触从基板释放的电极部分，并且在电极部分与与基板接触的高温侧之间发生温度差，并在膜中产生电压。实际上，测量了应用于设备芯片顶部和底部表面的温度差的生成电压，可以看到，根据温度差，生成电压是线性增加的，并且首次确认使用助力型助力器合金的薄膜热电转换设备的操作。

项目成果

多結晶SiGe 薄膜を用いた平面型熱電素子の作製と評価

多晶硅锗薄膜平面热电元件的制作与评估

• 发表时间: 2022
• 作者: 小池 壮太;柳澤 亮人;黒澤 昌志;R. Jha;辻井 直人;森 孝雄;野村 政宏
• 通讯作者: 野村 政宏

ホイスラー合金薄膜の面内熱伝導率温度依存性

霍斯勒合金薄膜面内热导率的温度依赖性

• 发表时间: 2022
• 作者: 小池 壮太;辻井 直人;相澤 俊;森 孝雄;Bauer Ernst;野村 政宏
• 通讯作者: 野村 政宏