エネルギーハーベスティング型熱電デバイスの界面熱抵抗メカニズムの解明

阐明能量收集热电装置的界面热阻机制

基本信息

批准号：
21K03922
负责人：
田中三郎
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

熱電材料に用いられるビスマスおよびテルルの薄膜を高真空蒸着法により成膜し，その膜厚を触診計測装置で測定した結果，蒸着源から基板までの位置関係で数100nm（ナノメートル）であることを確認した．界面熱抵抗の計測には3オメガ法を応用して前述の表面の温度上昇を計測した結果，蒸着源からの距離によってその温度上昇が異なることを確認し，蒸着源からの距離は，105mm，110mmおよび115mmの3水準，印可周波数は100～1000Hzの範囲で実施した．蒸着源からの距離105mmで作製したサンプルの表面の温度上昇と周波数との決定係数は0.994，110mmの場合は0.994，115mmの場合は0.988であり計測範囲周波数内においては線形性が保たれており，各周波数における表面の温度上昇と蒸着源からの距離との増加率も線形的になっており，サンプル厚さに対応した熱抵抗を検出できたものと推察される．エネルギーハーベスティング型の熱電デバイスは小さな温度差により発電可能であるが，発電量が小さいことに加え定常状態における温度差を確保することが困難である．そこで，本研究では温度差の確保を軸にした熱電デバイスを作製して，熱電デバイスの性能と界面熱抵抗との関係を調査している．熱電デバイスの温度差確保には熱伝導率が低い材質に設置して，高温熱源に設置することで発電可能な熱電デバイスを設計している．現在までにアルミナ基板上に成膜したサンプルを用いて，薄膜熱伝導率の計測手法である3オメガ法を用いて界面熱抵抗の指標として用いる表面の温度上昇を計測し，その結果が膜厚により異なっていることを確認できた．また，フレキシブル基板に作製した熱電素子を用いた熱電デバイスの試作を進めており，その性能評価を実施する予定である．

通过高真空蒸镀形成热电材料中使用的铋和碲薄膜，使用触诊测量装置测量膜厚，结果发现，相对于蒸镀位置，膜厚为数百纳米（nm）。我确认了这一点。为了测量界面热阻，我们采用 3 Ω 方法测量上述表面的温升，结果我们确认，温升根据距沉积源的距离而不同。距沉积的距离光源为105毫米，测试在110毫米和115毫米三个级别进行，施加频率在100至1000赫兹范围内。在距离蒸发源105mm处制备的样品的表面温升与频率之间的决定系数为0.994，110mm处为0.994，115mm处为0.988，并且在测量范围频率内保持线性，每个频率下表面温升与距蒸发源距离之间的增加率也是线性的，这表明可以检测到与样品厚度相对应的热阻。能量收集型热电装置可以利用微小的温差发电，但除了发电量小之外，很难将温差维持在稳定状态。因此，在本研究中，我们制造了一种专注于确保温差的热电装置，并研究了热电装置的性能与界面热阻之间的关系。为了保证热电装置的温差，我们设计了可以发电的热电装置，将其安装在导热系数较低的材料中，并将其安装在高温热源中。使用迄今为止沉积在氧化铝基板上的样品，我们使用 3-omega 方法（一种测量薄膜热导率的方法）测量了表面的温升，该温升用作界面热阻的指标我们能够确认之间存在差异。我们还在研究使用柔性基板上制造的热电元件的原型热电装置，并计划评估其性能。