単結晶ベータ鉄シリサイドを用いた冷熱ー電気エネルギー変換の研究

单晶β-硅化铁冷热电能转换研究

• 批准号: 18760228
• 负责人: 鵜殿 治彦
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Ibaraki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18760228/
• 关键词: β-FeSi_2; 半導体鉄シリサイド; 単結晶; 熱電; 冷熱; 熱電能; n型結晶

β-FeSi_2単結晶を利用し、室温付近以下で利用できる熱電変換素子の開発を目的として、H18年度の研究成果をふまえ本年度は(1)β-FeSi_2単結晶中のp,n不純物添加、(2)低温領域での熱電特性評価を主に行った。その結果得られた成果は次の通りである。(1)の不純物の添加については、純度5N相当の高純度鉄が市販されて入手しやすくなったことから、高純度の鉄とシリコンを原料にして高純度のFeSi_2合金を作り、これを基本に不純物添加による電気特性への影響を基本に立ち戻って行った。その結果、これまでp形、n形両方の報告があるホウ素(B)について、溶液法で成長した結晶中では明確にドナー性不純物として働くことを明らかにした。更に、アクセプター性不純物のZnについてもその固溶度と活性化率を実験的に明らかにした。また、n形低抵抗結晶の成長にも取り組み、Coが高い固溶度で取り込まれること、添加量が5wt%程度と高くなると結晶の成長形態が変わってくることを明らかにした。(2)p形、n形共にキャリアを5-10x10^<19>cm^<-3>の高い濃度で得ることが出来るようになったため、こうした結晶を用いて室温-20Kまでの範囲での低温領域の熱電特性を評価した。その結果、p形結晶ではAlを添加することで200Kから100Kの間の熱電出力因子を約1割増加できることが判った。一方、n形結晶ではCo添加することで無添加のものと比べて室温から200Kの間の熱電出力因子が3倍程度改善できた。また、Bを添加した結晶では100K付近で数mV/Kもの高いゼーベック係数を示し、100K付近で10^<-5>W/cmK^2の高い出力因子を持つことが判った。

以开发可在室温以下使用的β-FeSi_2单晶的热电转换元件为目标，基于2008年度的研究成果，今年我们将(1)在β-FeSi_2单晶中添加p、n杂质。 FeSi_2单晶，(2)我们主要评估低温区域的热电性能。得到的结果如下。关于(1)中杂质的添加，由于纯度相当于5N的高纯铁已经市售且容易获得，因此以高纯铁和硅为原料制成高纯FeSi_2合金，并且这是基本材料。我们重新审视了杂质添加对电性能影响的基础知识。结果表明，据报道既为p型又为n型的硼(B)在通过溶液法生长的晶体中明显充当施主杂质。此外，我们通过实验阐明了受体杂质Zn的固溶度和活化率。我们还研究了n型低电阻晶体的生长，发现Co以高固溶度掺入，并且当添加量高达约5wt%时晶体的生长形态发生变化。 (2)由于可以以5-10×10^<19>cm^-3>的高浓度获得p型和n型载流子，因此使用这些晶体，可以在一定温度下获得载流子评价了直至室温-20K的低温区域的热电性能。结果发现，通过添加Al，p型晶体中200K至100K之间的热电输出因数可提高约10%。另一方面，通过在n型晶体中添加Co，室温至200K之间的热电功率因数与不添加Co的情况相比可提高约3倍。另外，发现B掺杂晶体在100K附近表现出数mV/K的高塞贝克系数，并且在100K附近具有10^ -5 W/cmK^2的高输出因数。

项目成果

MBE法による各種面方位状へのβ-FeSi2ホモエピタキシャル成長

MBE法在不同面方向上同质外延生长β-FeSi2

• 发表时间: 2007
• 作者: 桂 誠一郎;大石 潔;大内真二・若谷一平・鵜殿治彦・山田洋一・山本博之・江坂文孝
• 通讯作者: 大内真二・若谷一平・鵜殿治彦・山田洋一・山本博之・江坂文孝