構造制御による電子状態・散乱操作した高性能透明熱電材料の創製

通过结构控制创建具有电子态和散射操纵的高性能透明热电材料

基本信息

批准号：
22KJ2111
负责人：
小松原祐樹
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：
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-22KJ2111/
关键词：
透明熱電材料有効質量エピタキシャルナノワイヤ薄膜

项目摘要

本年度、当初予定していた独自局所ゼーベック係数顕微鏡の開発に関する進展は少なかったものの、エピタキシャルMgZnO/ZnOナノワイヤ含有透明薄膜の作製に向け、エピタキシャルZnO透明薄膜の出力因子の増大機構の解明、面密度制御したZnOナノワイヤ構造の作製を行い、それぞれ成果を示した。具体的には以下に述べる。1. エピタキシャルZnO透明薄膜の作製および出力因子増大機構の解明本ナノ構造含有薄膜において、埋め込み膜の高性能化は重要である。そこでまず、c-Al2O3, r-Al2O3基板上にZnO透明薄膜を形成した。熱電性能を測定すると、低キャリア密度領域（＜~1×1020 cm-3）ではZnO/r-Al2O3において理論より高いゼーベック係数が、一方、高キャリア密度領域（>~1×1020 cm-3）では、基板の面方位によらずゼーベック係数が増大する傾向を得た。構造評価および理論計算から、薄膜内の歪とAlの導入により有効質量が増大する結果を得た。特筆すべき成果はZnO/r-Al2O3においてユビキタス系透明薄膜の中で出力因子の最大値を更新した点である。2. エピタキシャルZnOナノワイヤ構造の作製ナノ構造界面での電子散乱制御による更なる出力因子増大、フォノン散乱による熱伝導率の低減が期待できるエピタキシャルZnOナノワイヤ構造を作製した。ナノ構造界面数が及ぼすゼーベック係数への影響を調べるため、ZnOナノワイヤの面密度を0.1~10×109 cm-1の範囲で緻密に制御した。特筆すべき成果は面密度がZnOの蒸着レートにより制御可能であることを初めて明らかにした点である。

今年，虽然原计划开发的独特的局部塞贝克系数显微镜进展甚微，但仍努力阐明提高外延ZnO透明薄膜输出因子的机制并控制面密度以制造我们使用相同的方法制备了含有外延 MgZnO/ZnO 纳米线的透明薄膜并展示了结果。详细内容如下所述。 1.外延ZnO透明薄膜的制备及输出因数增加机制的阐明在这种含有纳米结构的薄膜中，提高嵌入薄膜的性能非常重要。首先，我们在 c-Al2O3 和 r-Al2O3 基板上形成 ZnO 透明薄膜。热电性能测量表明，ZnO/r-Al2O3在低载流子密度区域（<~1×1020 cm-3）具有比理论更高的塞贝克系数，而在高载流子密度区域（>~1×1020 cm-3）具有比理论更高的塞贝克系数。 3）我们发现，无论基材的表面取向如何，塞贝克系数都会增加。通过结构评估和理论计算，我们发现由于薄膜中的应变和Al的引入，有效质量增加。一个显着的成就是ZnO/r-Al2O3更新了普遍存在的透明薄膜中功率因数的最大值。 2.外延ZnO纳米线结构的制备我们制备了外延ZnO纳米线结构，该结构有望通过控制纳米结构界面的电子散射来进一步提高功率因数，并通过声子散射来降低热导率。为了研究纳米结构界面数量对塞贝克系数的影响，将ZnO纳米线的面密度精确控制在0.1至10×109 cm-1范围内。一个值得注意的结果是，首次揭示了面密度可以通过ZnO的沉积速率来控制。