Fe系ホイスラー合金の結晶規則度制御によるIoT用薄膜熱電変換素子の創製

通过控制铁基霍斯勒合金的晶体规则性创建物联网薄膜热电转换元件

基本信息

批准号：
20J10124
负责人：
工藤康平
金额：
$ 1.09万
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：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，研究代表者らがこれまで開発してきた「分子線エピタキシー(MBE)法を用いた低環境負荷かつ室温付近で高い熱電性能が期待されるFe系ホイスラー合金薄膜(Fe2VAl)の作製技術」で得られた知見を基に，面内型薄膜熱電変換モジュールへ応用可能な高い熱電性能を有するFe系ホイスラー合金薄膜の実証を目指している．本年度はFe2VAlよりも高い熱電性能が期待されているFe2TiSiに関して，①薄膜の作製及び熱電物性の評価と②Tiの一部をMnで置換して熱電性能の向上を試みた．①に関してはMBE法を用いて単相かつ均一な組成分布の薄膜を350℃で作製することに成功し，Fe2VAl薄膜よりも高いゼーベック係数(S)と低い熱伝導率が得られた．一方でFe2VAl薄膜よりも高い電気抵抗率(ρ)が得られたため，高い熱電性能の実現にはSの絶対値(|S|)を維持したままρを低減するアプローチが必要であると判断した．②に関しては，詳細な構造解析及び熱電物性の測定結果から元素置換に成功し，|S|が大きく減少することなくρの低減を実現した．しかし，得られた熱電性能はBiTe系化合物と比較すると未だ低いため，今後は高い熱電性能を得られることが理論予測されているリン等を元素置換材料に用いて更なる熱電性能の向上を実現する必要がある．また本年度は，熱電性能に大きく影響するフェルミ準位付近に特異なバンド構造を有するスピンギャップレス半導体と呼ばれる新規材料として注目されているMn2CoAlの薄膜作製にも挑戦した．単相かつ均一な組成分布の薄膜作製に成功し，結晶構造と物性の関係を詳細に議論することができた．一方で熱電物性の評価には至らなかったため，今後は熱電物性の評価を行う必要がある．以上の成果は，Fe系ホイスラー合金薄膜の更なる熱電性能の向上並びに新規材料薄膜の実現に向けた次なる課題と指針を呈示したものである．

该研究基于“采用分子束外延（MBE）方法的铁基霍斯勒合金薄膜（Fe2VAl）的制造技术，该技术有望在室温附近具有低环境影响和高热电性能”，该研究代表基于先前开发的知识，我们的目标是展示具有高热电性能的铁基霍斯勒合金薄膜，可应用于面内薄膜热电转换模块。今年，对于预计比Fe2VAl具有更高热电性能的Fe2TiSi，我们尝试（1）制作薄膜并评估其热电性能，（2）用Mn代替部分Ti以提高热电性能。对于①，我们利用MBE方法在350℃成功制备了单相、成分分布均匀的薄膜，并获得了比Fe2VAl薄膜更高的塞贝克系数（S）和更低的热导率。另一方面，由于获得了比 Fe2VAl 薄膜更高的电阻率 (ρ)，因此我们确定需要在保持 S (|S|) 绝对值的同时降低 ρ 的方法，以实现高热电性能．．对于②，我们根据详细的结构分析和热电特性测量结果成功地进行了元素替换，并在不大幅降低|S|的情况下实现了ρ的降低。然而，与BiTe基化合物相比，获得的热电性能仍然较低，因此通过使用磷等元素作为元素替代材料，将进一步提高热电性能，理论上预计磷在未来将提供高热电性能。这样做是必要的。今年，我们还尝试制造了Mn2CoAl薄膜，它作为一种称为自旋无隙半导体的新材料而备受关注，它在费米能级附近具有独特的能带结构，对热电性能有很大影响。我们成功地制备了具有单相和均匀成分分布的薄膜，并且能够详细讨论晶体结构和物理性能之间的关系。另一方面，无法评估热电性能，因此将来有必要评估热电性能。上述结果为进一步提高铁基霍斯勒合金薄膜的热电性能和实现新材料薄膜提出了下一步的挑战和指导。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Half-metallic nature of the low-temperature grown Co2MnSi films on SrTiO3

SrTiO3 上低温生长 Co2MnSi 薄膜的半金属性质

DOI：
10.1016/j.jallcom.2020.155571
发表时间：
2021-02-15
期刊：
Journal of Alloys and Compounds
影响因子：
6.2
作者：
K. Kudo;S. Yamada;M. Yafuso;T. Kimura;V. Lazarov;K. Hamaya
通讯作者：
K. Hamaya

Electronic and magnetic properties of Co2FeSi\documentclass[12pt]{minimal} \usepackage{amsmath} \usepackage{wasysym} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsbsy} \usepackage{mathrsfs} \usepackage{upgreek} \setlength{\oddsidemargin}{-69pt} \begin{document}$${\mathrm{Co}}_{2}\mathrm{

Co2FeSidocumentclass[12pt]{minimal} usepackage{amsmath} usepackage{wasysym} usepackage{amsfonts} usepackage{amssymb} usepackage{amsbsy} usepackage{mathrsfs} usepackage{upgreek} 的电子和磁性特性

DOI：
10.1007/s12034-023-02973-9
发表时间：
2023-06-23
期刊：
Bulletin of Materials Science
影响因子：
1.8
作者：
S. Amellah;H. Zaari;H. Bouhani;F. Elyahyaoui;A. Benyoussef;A. E. Kenz
通讯作者：
A. E. Kenz

Electric field tunable anisotropic magnetoresistance effect in an epitaxial Co2FeSi/BaTiO3 interfacial multiferroic system

外延 Co2FeSi/BaTiO3 界面多铁体系中电场可调各向异性磁阻效应

DOI：
10.1103/physrevmaterials.5.014412
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
3.4
作者：
S. Yamada; Y. Teramoto; D. Matsumi; D. Kepaptsouglou; I. Azaceta; T. Murata; K. Kudo; V. K. Lazarov; T. Taniyama;K. Hamaya
通讯作者：
K. Hamaya

Observation of room-temperature spin transport in Ge-based lateral spin-valve devices with low-temperature grown Co2MnSi electrodes

采用低温生长 Co2MnSi 电极观察 Ge 基横向自旋阀器件中的室温自旋输运