低次元構造とキャリア数制御に基づくナノスケール熱電現象の開拓

基于低维结构和载流子数控制的纳米级热电现象的发展

基本信息

批准号：
20H02830
负责人：
清水直
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Central Research Institute of Electric Power Industry
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02830/
关键词：
熱電効果ナノ材料低次元電界効果電気二重層

项目摘要

優れた熱電変換効率を有する熱電素子の実現に向け、低次元複合材料やナノ材料における熱電効果の研究が世界中で進められている。新規材料の合成、新たな理論計算や評価手法の開発に基づいた、次世代の新規熱電材料の開拓を継続的に進める必要がある。本研究では、様々なナノ材料の熱電特性を評価する方法の開発と、それを実際に熱電材料探索に適用する。本年度は、酸化タングステン(WO3)の薄膜作製および熱電効果の測定を行った。WO3薄膜は、土台となる基板の材料を適切に選択することにより、結晶構造を制御することができる。本研究ではイットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板上に、数ナノメートルから数十ナノメートルの厚さのWO3薄膜を作製した。フォトリソグラフィーにより、WO3薄膜を半導体チャネルとする電界効果トランジスタ構造を作製し、また同一基板上に温度計とヒーターを金属蒸着により作製した。これにより、試料温度とWO3薄膜中のキャリア密度を連続的に変化させながら、WO3の熱電効果を測定することが可能になる。イオン液体をゲート絶縁体とし、0 Vから3.9 Vのゲート電圧を印加したところ、電気抵抗の温度依存性が絶縁体的な振る舞いから金属的なものへ変化した。同時にゼーベック係数を測定したところ、ゲート電圧の増加に伴い、絶対値が減少した。これらの結果は、ゲート電圧の印加により、WO3薄膜に連続的に電子キャリアが注入されていることを示す。さらに、10 Kから室温までの温度範囲、0 Vから3.9 Vのゲート電圧の範囲で熱電出力因子を系統的に測定した結果、半導体から金属的な電子状態に移り変わるキャリア密度領域で最適化されることがわかった。本成果はScientific Reports 12, 7202 (2022).において報告した。今後、国内外の学会で本成果を発表する。

为了实现具有出色的热电转换效率的热电元素，对低维复合材料和纳米材料的热电效应进行了研究。有必要根据新材料的综合以及新的理论计算和评估方法的发展，继续开发新的下一代热电材料。在这项研究中，我们将开发一种评估各种纳米材料的热电特性的方法，并将其应用于寻找热电材料。今年，我们制造了氧化钨（WO3）的薄膜，并测量了热电效应。 WO3薄膜的晶体结构可以通过适当选择作为基础的基板的材料来控制。在这项研究中，在Yttria稳定氧化锆（YSZ）底物上制造了从几种纳米到几十纳米厚的WO3薄膜。具有WO3薄膜作为半导体通道的现场效应晶体管结构是通过光刻产生的，并且通过金属蒸发在同一基板上生产温度计和加热器。这使得可以测量WO3的热电效应，同时连续改变WO3薄膜中的样品温度和载体密度。当使用离子液体用作栅极绝缘子，并应用0 V至3.9 V的栅极电压时，电阻的温度依赖性从绝缘体行为转变为金属电阻。同时，测量了Seebeck系数，并且随着门电压的增加，绝对值降低。这些结果表明，通过应用栅极电压将电子载体不断地注入WO3薄膜中。此外，在温度范围内，系统测量的热电输出因子从10 K到室温和0 V至3.9 V的栅极电压范围，发现热电输出因子在载体密度区域中优化了从半导体变化到金属电气状态。该结果在科学报告12，7202（2022）中报道。结果将在日本和国外的学术会议上介绍。

项目成果

期刊论文数量（12）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Investigation of Subnanometer-Scale Structures of Ionic Liquid/Au Electrode Interfaces by 3D-SFM

利用 3D-SFM 研究离子液体/Au 电极界面的亚纳米级结构

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
榊原涼;五十嵐陽彦;吉野巧;宮澤佳甫;炭竈享司;宮田一輝;清水直;岩佐義宏;福間剛士
通讯作者：
福間剛士

マイクロ・ナノ熱工学の進展

微纳热工程研究进展

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
マイクロ・ナノ熱工学の進展編集委員会;丸山　茂夫;稲田　孝明ほか17名
通讯作者：
稲田　孝明ほか17名

低次元材料における電界効果の電界制御

低维材料场效应的电场控制

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
松尾直樹;山田高広;榎木勝徳;山根久典;清水直
通讯作者：
清水直

Investigation of Thermoelectric Semiconductors with Electric Double Layer Gating

双电层门控热电半导体的研究

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Sunao Shimizu;Junichi Shiogai;Nayuta Takemori;Shiro Sakai;Hiroaki Ikeda;Ryotaro Arita;Tsutomu Nojima;Atsushi Tsukazaki;Yoshihiro Iwasa
通讯作者：
Yoshihiro Iwasa

WO3薄膜の電界効果キャリアドーピングと熱電効果

WO3薄膜的场效应载流子掺杂与热电效应