DE112018002926T5 - Thermoelektrisches umwandlungsmaterial, thermoelektrisches umwandlungselement, thermoelektrisches umwandlungsmodul und optischer sensor - Google Patents

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Abstract

Ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial enthält eine Matrix, die aus einem Halbleiter gebildet ist, und Nanoteilchen, die in der Matrix angeordnet sind, wobei die Nanoteilchen eine Gitterkonstantenverteilung Δd/d von 0,0055 oder mehr aufweisen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial, ein thermoelektrisches Umwandlungselement, ein thermoelektrisches Umwandungsmodul und einen optischen Sensor. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 7. Juni 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung 2017-112986 , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren hat die erneuerbare Energie als saubere Energie, die fossile Brennstoffe, wie Erdöl, ersetzt, an Bedeutung gewonnen. Beispiele für eine solche erneuerbare Energie umfassen nicht nur die Stromerzeugung unter Verwendung von Solarenergie, Wasserkraft und Windenergie, sondern auch die Stromerzeugung mit Hilfe thermoelektrischer Umwandlung unter Verwendung von Temperaturdifferenzen. Da bei der thermoelektrischen Umwandlung Wärme direkt in Strom umgewandelt wird, entsteht während der Umwandlung keine überflüssigen Abfallprodukte. Darüber hinaus ist die thermoelektrische Umwandlung dadurch gekennzeichnet, dass die Wartung der Anlage einfach ist, da keine Antriebseinheiten, wie Motoren, erforderlich sind. Zudem gibt es optische Sensoren, wie Infrarotsensoren, die eine thermoelektrische Umwandlung nutzen.
  • Der Wirkungsgrad η bei der Umwandlung der Temperaturdifferenz (Wärmeenergie) in elektrische Energie unter Verwendung eines Materials zur Durchführung einer thermoelektrischen Umwandlung (thermoelektrisches Umwandlungsmaterial) ist durch die nachfolgende Formel (1) gegeben:
  • η= Δ T/T h ⋅ ( M − 1 ) / ( M + T c / T h )
    Figure DE112018002926T5_0001
    wobei η den Umwandlungswirkungsgrad, ΔT = Th - Tc, Th die hochtemperaturseitige Temperatur, Tc die niedertemperaturseitige Temperatur, M = (1 + ZT)1/2, ZT = α2ST/κ, ZT die dimensionslose Gütezahl, α den Seebeck-Koeffizienten, S die elektrische Leitfähigkeit und κ die Wärmeleitfähigkeit darstellen. Somit ist der Umwandlungswirkungsgrad eine monoton steigende Funktion von ZT.
  • Bei der Entwicklung des thermoelektrischen Umwandungsmaterials ist es wichtig, ZT zu erhöhen.
  • Es ist ein Verfahren zur Bildung von Silizium-Germanium (SiGe)-Nanoteilchen bekannt, bei dem nach dem Stapeln von Si, Ge und Au, die als Halbleitermaterialien dienen, ein Glühschritt durchgeführt wird (siehe NPL 1).
  • Zitationsliste
  • Nicht-Patentliteratur
  • NPL 1: Japanese Journal of Applied Physics, 50 (2011) 041301
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Matrix, die aus einem Halbleiter besteht, und Nanoteilchen, die in der Matrix verteilt sind. Die Gitterkonstantenverteilung Δd/d der Nanoteilchen beträgt 0,0055 oder mehr.
  • Figurenliste
    • [1] 1 zeigt ein Flussdiagramm, das veranschaulichende Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines thermoelektrischen Umwandlungsmaterials gemäß Ausführungsform 1 darstellt.
    • [2] 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Teils eines Mehrschichtkörpers, der ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial in einem Zustand ist, in dem Rohmaterialelemente übereinandergestapelt sind.
    • [3] 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials gemäß Ausführungsform 1.
    • [4] 4 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel eines Peaks in einem Röntgenbeugungssignal darstellt.
    • [5] 5 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Röntgenbeugungssignal darstellt.
    • [6] 6 zeigt ein Diagramm, das Ergebnisse einer Analyse mit Hilfe eines Williamson-Hall-Diagramms darstellt.
    • [7] 7 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Gitterkonstantenverteilung Δd/d und der Wärmeleitfähigkeit κ darstellt.
    • [8] 8 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Struktur eines thermoelektrischen π-Umwandlungselements (Stromerzeugungselement) darstellt, das ein thermoelektrisches Umwandlungselement dieser Ausführungsform ist.
    • [9] 9 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Struktur eines Stromerzeugungsmoduls.
    • [10] 10 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Struktur eines Infrarotsensors.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Aus der Sicht der Erhöhung von ZT wird die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit κ in der obigen Formel (1) in Betracht gezogen. Hierbei kann das Vorhandensein von Nanoteilchen in der Matrix, die das thermoelektrische Umwandlungsmaterial bilden, die Phononverteilung durch die Nanoteilchen erhöhen, und somit kann die Wärmeleitfähigkeit verringert werden.
  • In letzter Zeit werden thermoelektrische Umwandlungsmaterialien benötigt, um die Wärmeleitfähigkeit aus Sicht einer weiteren Verbesserung des thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgrades weiter zu verringern. Eine solche Anforderung kann mit dem in NPL 1 beschriebenen Verfahren nicht erfüllt werden.
  • Somit ist es eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial mit einem verbesserten thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad bereitzustellen.
  • [Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
  • Zunächst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgelistet und beschrieben. Ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Matrix, die aus einem Halbleiter besteht, und Nanoteilchen, die in der Matrix angeordnet sind, wobei die Nanoteilchen eine Gitterkonstantenverteilung Δd/d von 0,0055 oder mehr aufweisen.
  • Das thermoelektrische Umwandlungsmaterial enthält eine Matrix, die aus einem Halbleiter besteht. Ein Halbleiter weist eine größere Bandlücke als leitfähige Materialien auf und kann somit den Seebeck-Koeffizienten und die dimensionslose Gütezahl ZT erhöhen. Da ferner das thermoelektrische Umwandlungsmaterial Nanoteilchen enthält, die in der Matrix, usw. angeordnet sind, kann die Phononverteilung verbessert werden. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit verringert und die dimensionslose Gütezahl ZT erhöht werden.
  • Hinsichtlich der in der Matrix des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials angeordneten Nanoteilchen haben sich die Erfinder überlegt, die Wärmeleitfähigkeit durch Erhöhen des Unterschieds der Nanoteilchenzusammensetzung und der Kristallbeanspruchung, mit anderen Worten durch Ändern der Gitterkonstante der Nanoteilchen, weiter zu verringern. Dies beruht auf der Idee, dass das Vorhandensein von Nanoteilchen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten die Streuung verschiedener Phononen mit unterschiedlichen Frequenzen fördert. In der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeleitfähigkeit hinreichend verringert werden, indem die Gitterkonstantenverteilung Δd/d der Nanoteilchen auf 0,0055 oder mehr eingestellt wird. Somit kann ein solches thermoelektrisches Umwandlungsmaterial die dimensionslose Gütezahl ZT ausreichend erhöhen und den thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad verbessern.
  • Die Matrix kann so ausgebildet werden, dass sie amorph ist. Auf diese Weise kann die Wärmeleitfähigkeit der Matrix, die das thermoelektrische Umwandlungsmaterial bildet und in dem die Nanoteilchen angeordnet sind, verringert werden. Somit kann die dimensionslose Gütezahl ZT erhöht und der thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad weiter verbessert werden.
  • Die Gitterkonstantenverteilung Δd/d der Nanoteilchen kann 0,04 oder weniger betragen. In diesem Bereich ist es einfacher, das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung zu bilden.
  • Die Nanoteilchen können einen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger aufweisen. Auf diese Weise kann der Seebeck-Koeffizient erhöht und somit die dimensionslose Gütezahl ZT erhöht werden. Auf diese Weise kann der thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad weiter verbessert werden.
  • Alternativ kann der Halbleiter ein Material auf SiGe-Basis, das Si und Ge enthält, ein Material auf AIMnSi-Basis, das Al, Mn und Si enthält, oder ein Material auf BiTe-Basis, das Bi und Te enthält, sein. Ein solches Ausgangsmaterial für den Halbleiter ist als thermoelektrisches Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung vorzuziehen.
  • Das thermoelektrische Umwandlungsmaterial kann als Zusatzelement wenigstens ein Element von Au, Cu, Al, B, Ni und Fe enthalten. Ein solches Zusatzelement ist vorzugsweise ein Zusatzelement, das die Ausfällung von Nanoteilchen in der Matrix in dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung bewirkt.
  • Ein thermoelektrisches Umwandlungselement der vorliegenden Erfindung umfasst eine thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit, eine erste Elektrode, die in Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialeinheit angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialeinheit, jedoch beabstandet von der ersten Elektrode, angeordnet ist.
  • Die thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit ist, wie zuvor beschrieben, aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung gebildet, wobei die Komponentenzusammensetzung auf den p-Leitfähigkeitstyp oder den n-Leitfähigkeitstyp eingestellt wird.
  • In dem thermoelektrischen Umwandlungselement der vorliegenden Erfindung ist die thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit aus dem zuvor erwähnten thermoelektrischen Umwandlungsmaterial, das hervorragende thermoelektrische Umwandlungseigenschaften aufweist, gebildet, wobei die Komponentenzusammensetzung eingestellt wird, um den Leitfähigkeitstyp auf den p-Typ oder den n-Typ festzulegen. Somit kann gemäß dem thermoelektrischen Umwandlungselement der vorliegenden Erfindung ein thermoelektrisches Umwandlungselement mit einem hervorragenden Umwandlungswirkungsgrad gebildet werden.
  • Ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul der vorliegenden Erfindung umfasst mehrere der zuvor erwähnten thermoelektrischen Umwandlungselemente. Gemäß dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul der vorliegenden Anmeldung kann, da die mehreren thermoelektrischen Umwandlungselemente der vorliegenden Erfindung mit einem hervorragenden thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad enthalten sind, ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul mit einem hervorragenden thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad erhalten werden.
  • Ein optischer Sensor der vorliegenden Erfindung umfasst das zuvor erwähnte thermoelektrische Umwandlungsmodul. Gemäß dem optischen Sensor der vorliegenden Erfindung wird das zuvor erwähnte thermoelektrische Umwandlungsmaterial mit einem hinreichend niedrigen Wärmeleitfähigkeitswert verwendet. Somit kann der optische Sensor der vorliegenden Erfindung eine hohe Empfindlichkeit aufweisen.
  • [Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
  • Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind die gleichen oder sich entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
  • (Ausführungsform 1)
  • Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Umwandlungsmaterials gemäß Ausführungsform 1 kurz beschrieben. 1 zeigt ein Flussdiagramm, das veranschaulichende Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines thermoelektrischen Umwandlungsmaterials gemäß Ausführungsform 1 darstellt. Mit Bezug auf 1 wird ein Material als Basissubstrat, wie beispielsweise ein Saphirsubstrat, hergestellt (Schritt S11 in 1, im Nachfolgenden wird die Bezeichnung „Schritt“ weggelassen).
  • Anschließend werden Rohmaterialelemente, die das thermoelektrische Umwandlungsmaterial bilden, auf dem Saphirsubstrat gestapelt. In diesem Fall wird beispielsweise ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren (MBE) eingesetzt, um die Rohmaterialelemente (S12) der Reihe nach zu schichten. Insbesondere wird auf dem Saphirsubstrat bei Raumtemperatur eine Schicht aus amorphem Silizium (Si) zwischen den Rohmaterialelementen gebildet. Anschließend wird auf der gebildeten amorphen Si-Schicht amorphes Germanium (Ge), das ein weiteres Rohmaterialelement ist, gebildet. Anschließend werden eine Schicht aus Gold (Au) auf der amorphen Ge-Schicht und dann erneut eine Schicht aus amorphem Ge auf der Au-Schicht gebildet. Insbesondere werden die Dicken der jeweiligen Schichten wie folgt gewählt: Ge: 1,8 nm (Nanometer), Au: 0,1 nm und Si: 1 nm. In diesem Fall ist Au das Zusatzelement.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Teils eines Mehrschichtkörpers 11, der ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial in einem Zustand ist, in dem die Rohmaterialelemente gestapelt sind. 2 zeigt eine Querschnittsansicht, die durch Schneiden des Mehrschichtkörpers 11 in der Dickenrichtung erhalten wird. Ebenfalls mit Bezug auf 2 sind eine amorphe Si-Schicht 13, eine amorphe Ge-Schicht 14, eine Au-Schicht 15 und eine weitere amorphe Ge-Schicht 16 auf dem Saphirsubstrat 12 vorgesehen. Eine Mehrschichteinheit 17, die aus der amorphen Si-Schicht 13, der amorphen Ge-Schicht 14, der Au-Schicht 15 und der weiteren amorphen Ge-Schicht 16 gebildet ist, wird wiederholt ausgebildet, um die Rohmaterialelemente zu schichten. Die Schichtung wird wiederholt, bis eine Gesamtdicke von beispielsweise etwa 220 nm erreicht ist, und auf diese Weise wird der Mehrschichtkörper 11 gebildet. Wird die Zusammensetzung des Mehrschichtkörpers 11 mittels SEM-EDX (energiedispersive Röntgenspektroskopie) gemessen, beträgt der Au-Gehalt 3 Atom%.
  • Anschließend wird der so erhaltene Mehrschichtkörper 11 erwärmt (S13). In diesem Fall wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10°/min von Raumtemperatur auf 650 °C erhöht. Mit anderen Worten wird eine Glühbehandlung durch relativ moderates Erhöhen der Temperatur durchgeführt. Die Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser von etwa 6 nm werden durch Ausfällung gebildet, und auf diese Weise wird ein thermoelektrisches Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, bei dem die Matrix amorph ist und die Nanoteilchen in der Matrix verteilt sind, erhalten.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Umwandlungsmaterial 21 gemäß Ausführungsform 1.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht, die durch Schneiden des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 21 in der Dickenrichtung erhalten wird. Ebenfalls mit Bezug auf 3 umfasst das thermoelektrische Umwandlungsmaterial 21 der Ausführungsform 1 eine Matrix 22, die aus einem Halbleiter gebildet ist und hauptsächlich aus amorphem Si, amorphem Ge und amorphem SiGe, die auf dem Saphirsubstrat 21 vorgesehen sind, besteht, und Nanoteilchen 23, die in der Matrix 22 angeordnet sind. In diesem Fall ist das thermoelektrische Umwandlungsmaterial 21 aus einem Material auf SiGe-Basis, das Si und Ge enthält, als das Basismaterial für den Halbleiter gebildet. Die Nanoteilchen 23 werden durch Ausfällung aus Au-Kristallkernen gebildet und befinden sich in der Matrix 22. Die Nanoteilchen 23 befinden sich in einem mikrokristallinen Zustand und sind in der Matrix 22 verteilt. Ein Beispiel der bestimmten Struktur der Nanoteilchen 23 ist eine Struktur, bei der die Komponentenzusammensetzung des mittleren Bereichs eines jeden Nanoteilchens 23 im Wesentlichen aus SiGe gebildet ist.
    Wie zuvor beschrieben weisen die Nanoteilchen 23 einen Teilchendurchmesser von beispielsweise etwa 6 nm auf.
  • Hier wird die Gitterkonstantenverteilung Δd/d der Nanoteilchen 23 auf 0,0055 oder mehr festgelegt. Die Gitterkonstantenverteilung Δd/d wird durch Röntgenbeugung an dem erhaltenen thermoelektrischen Umwandlungsmaterial 21 und durch Analysieren der Beugungsergebnisse unter Verwendung des Williamson-Hall-Diagramms erhalten.
  • Im Nachfolgenden wird die Definition der Gitterkonstantenverteilung Δd/d beschrieben. 4 zeigt ein Diagramm eines Beispiels eines Peaks in einem Röntgenbeugungssignal. In 4 ist auf der vertikalen Achse die Intensität (a.u.) des Röntgenbeugungssignals aufgetragen, und auf der horizontalen Achse ist 2θ (°) aufgetragen, wobei θ der Beugungswinkel ist.
  • Mit Bezug auf 4 wird unter der Annahme, dass die Position eines Peaks 31 in dem Röntgenbeugungssignal bei 2θ (Peak) liegt, zunächst die Gitterkonstante d an der Position des Peaks 31 bestimmt. Da hier die Beziehung zwischen der Gitterkonstante und dem Beugungswinkel durch die Beziehung 2dsinθ = nλ ausgedrückt wird (d: Gitterkonstante, λ: Wellenlänge), wird diese Beziehung verwendet. Anschließend wird der Wert auf der Seite des großen Winkels an der Signalposition, die den Halbwert des Peaks 31 darstellt, bestimmt und als 2θ(H) definiert. Anschließend wird 2θ(H) verwendet, um die Gitterkonstante auf der Seite des großen Winkels d(H) zu bestimmen. Darüber hinaus wird der Wert auf der Seite des kleinen Winkels an der Signalposition, die den Halbwert des Peaks 31 bildet, bestimmt und als 2θ(L) definiert. Anschließend wird 2θ(L) verwendet, um die Gitterkonstante auf der Seite des kleinen Winkels d(L) zu bestimmen. In der Gitterkonstantenverteilung Δd/d wird Δd als d(H) - d(L) bestimmt. Schließlich wird die Gitterkonstantenverteilung Δd/d als (d(H) - d (L))/d bestimmt. Auf diese Weise wird die Gitterkonstantenverteilung Δd/d definiert. Die Gitterkonstantenverteilung Δd/d, die hier angegeben ist, beruht auf der Form des Peaks 31, der den Kristallen mit einem vorbestimmten Teilchendurchmesser zugeordnet ist, wie in 4 gezeigt.
  • Da in einem realen System die Teilchendurchmesser variieren, müssen zwei oder mehr Röntgenbeugungssignale analysiert werden, und die Analyse muss unter Verwendung eines Williamson-Hall-Diagramms erfolgen, bei dem die Gitterkonstantenverteilung und der Teilchendurchmesser getrennt werden können. Das Analysebeispiel dafür wird im Folgenden beschrieben.
  • 5 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel eines Röntgenbeugungssignals darstellt. In 5 ist auf der vertikalen Achse die Intensität (a.u.) des Röntgenbeugungssignals aufgetragen, und auf der horizontalen Achse ist 2θ (°) aufgetragen, wobei θ den Beugungswinkel darstellt. In 5 ist 2θ auf 20° bis 70° eingestellt. Darüber hinaus gibt eine durchgezogene Linie 32 den Fall an, bei dem eine ausgestrahlte Röntgenstrahlung als Röntgenstrahlen bei der Röntgenbeugung verwendet wird, und eine unterbrochene Linie 33 gibt den Fall an, bei dem eine Cu-K-α-Strahlung als Röntgenstrahlung bei der Röntgenbeugung verwendet wird. Darüber hinaus ist in 5 der Fall gezeigt, bei dem die Dicke der Au-Schicht 15, mit anderen Worten Au, auf 0,35 nm festgelegt wird, bevor die in 2 gezeigte Wärmebehandlung, wie zuvor beschrieben, durchgeführt wird, und anschließend wird der Erwärmungsschritt abgeschlossen, d. h. der Zustand, in dem die Nanoteilchen 23 ausgefällt werden. Es sollte beachtet werden, dass die Röntgenbeugung mit der ausgestrahlten Röntgenstrahlung in einer großen Bestrahlungsanlage SPring-8 durchgeführt wird. Darüber hinaus ist die Abweichung zwischen der durchgezogenen Linie 32 und der unterbrochenen Linie 33, wie in dem Diagramm der 5 gezeigt, auf die Differenz des Röntgenstrahlentyps, der bei der Röntgenbeugung usw. verwendet wird, zurückzuführen.
  • Die Messbedingungen der Messung unter Verwendung einer Synchrotronstrahlung und der SPring-8 Anlage sind wie folgt: Strahlengang: SPring-8 BL16XU, Spektroskop/Spiegel: Si(111)/Rh-Schichtspiegel 3,5 mrad, Photonenenergie: 18 keV (0,689 Å), Detektor: zweidimensionaler Detektor PILATUS 100K, Kameralänge: 200 mm, Schlitzbreite: 50 mm (H) x 500 mm (V), Einfallswinkel: 0,5°, Detektormittenwinkel: 19° und Belichtungszeit: 3 Sekunden. Die Messbedingungen der Messung unter Verwendung der Cu-K-α-Strahlung sind Xpert (45 kV, 40 mA) von Panalytical. Bei der Verwendung einer Röntgenbeugungsuniversalanlage wird der Einfluss der Vermischung mit der Cu-K-β-Strahlung auf der Seite von großen Winkeln stark, sodass aus Sicht der Messgenauigkeit die Messung vorzugsweise mit der SPring-8 Anlage durchgeführt wird.
  • In 5 gibt beispielsweise ein Peak 34a, der durch die durchgezogene Linie 32 und die unterbrochene Linie 33 angezeigt wird, bei etwa 28° SiGe an. Somit erscheinen in dem Beugungssignal mehrere Peaks 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 34h, 34i, 34j, 34k, 34l und 34m.
  • Hinsichtlich der Röntgenbeugungsergebnisse, die so erhalten werden, haben sich die Erfinder darauf konzentriert, dass die Informationen über die Teilchendurchmesser der Nanoteilchen und die Gitterkonstantenverteilung der Nanoteilchen in den Informationen über die Halbwertbreiten der Peaks und die Positionen der Peaks im Beugungssignal enthalten sind. Somit wird die Analyse unter Verwendung des Williamson-Hall-Diagramms durchgeführt, um den Teil, der die Teilchendurchmesser der Nanoteilchen 23 betrifft, und den Teil, der die Gitterkonstantenverteilung der Nanoteilchen 23 betrifft, zu trennen.
  • 6 zeigt ein Diagramm, das die Analyseergebnisse durch ein Williamson-Hall-Diagramm darstellt. In 6 ist auf der vertikalen Achse der Wert von βcosθ/λ und auf der horizontalen Achse der Wert von sinθ/λ aufgetragen. Vier durchgezogene Dreiecke, vier Quadrate und vier Rauten in 6 zeigen jeweils die gleiche Probe. Hier ist β die Halbwertsbreite, θ der Beugungswinkel und λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung. In 6 sind diese Werte für vier Beugungssignale aufgetragen. Für jede Probe wurden die aufgetragenen Punkte mit geraden Linien 36a, 36b und 36c verbunden. Die gerade Linie 36a zeigt die Probe, bei der die Dicke von Au auf 0,35 nm festgelegt ist, die gerade Linie 36b zeigt die Probe, bei der die Dicke von Au auf 0,17 nm festgelegt ist, und die gerade Linie 36c zeigt die Probe, bei der die Dicke von Au auf 0,10 nm festgelegt ist. Für diese geraden Linien 36a bis 36c ist die Beziehung ßcosθ/λ = 2ηsinθ/λ + 1/ε erfüllt, wobei η die Gitterkonstantenverteilung, 1/ε der Teilchendurchmesser und βcosθ und sin0 Variablen darstellen. Mit anderen Worten gibt die Neigung 2η der geraden Linie die Gitterkonstantenverteilung Δd/d an, und der Schnittpunkt 1/ε gibt den Teilchendurchmesser an.
  • Die Beziehung zwischen der Dicke (nm) von Au, dem Teilchendurchmesser (nm) und der Gitterkonstantenverteilung (Δd/d), die von den geraden Linien 36a bis 36c, wie in 6 gezeigt, abgeleitet werden, ist wie folgt. Das heißt, wenn die Dicke von Au 0,35 nm beträgt, dann ist der Teilchendurchmesser 25 nm und die Gitterkonstantenverteilung Δd/d beträgt 0,0028. Wenn die Dicke von Au 0,17 nm beträgt, ist der Teilchendurchmesser 25 nm und die Gitterkonstantenverteilung Δd/d 0,0055. Wenn die Dicke von Au 0,10 nm beträgt, ist der Teilchendurchmesser 20 nm und die Gitterkonstantenverteilung Δd/d beträgt 0,0065.
  • Hier haben die Erfinder die Beziehung zwischen der erhaltenen Gitterkonstantenverteilung Δd/d und der Wärmeleitfähigkeit κ untersucht. 7 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Gitterkonstantenverteilung Δd/d und der Wärmeleitfähigkeit κ darstellt. In 7 ist auf der vertikalen Achse die Wärmeleitfähigkeit (W/mK) und auf der horizontalen Achse die Gitterkonstantenverteilung Δd/d aufgetragen. Die Wärmeleitfähigkeit κ wird an den Proben gemessen.
  • Mit Bezug auf 7 beträgt hinsichtlich der Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit κ und der Gitterkonstantenverteilung Δd/d, wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0028 annimmt, die Wärmeleitfähigkeit κ 0,36. Nimmt die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,004 an, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,25. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0055 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,16. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0065 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,16. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0075 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,15. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0090 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,16. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,010 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,15. Wenn die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,040 annimmt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit κ 0,16. Hier kann hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit κ ein hinreichend kleiner Wert erhalten werden, indem die Gitterkonstantenverteilung Δd/d auf einen Wert von gleich oder mehr als der Schwellenwert, der 0,0055 ist, eingestellt wird. Mit anderen Worten kann die Wärmeleitfähigkeit κ auf einen sehr kleinen Wert eingestellt werden, indem der Wert der Gitterkonstantenverteilung Δd/d auf 0,0055 oder mehr eingestellt wird.
  • Dies wird wie folgt berücksichtigt. Das heißt, wenn die Änderung in der Kristallzusammensetzung und die Zusammensetzungsbeanspruchung der Nanoteilchen 23, die durch die Gitterkonstantenverteilung Δd/d grob angezeigt werden, zunehmen, tritt eine sogenannte Zusammensetzungsungleichförmigkeit auf. Dies fördert die Verteilung von Phononen mit unterschiedlichen Frequenzen. So kann vermutlich die Wärmeleitfähigkeit κ ausreichend verringert werden. Somit kann in einem solchen thermoelektrischen Umwandlungsmaterial 21 die dimensionslose Gütezahl ZT ausreichend erhöht und der thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad verbessert werden. Wenn die Nanoteilchen 23 aus kovalenten interatomaren Bindungen bestehen, kann vermutlich die Beziehung zwischen der Phononverteilung und der Zusammensetzungsungleichförmigkeit, bei der die Gitterkonstantenverteilung Δd/d einen Wert von 0,0055 oder mehr annimmt, angewendet werden. Darüber hinaus ist der Grenzwert der Gitterkonstantenverteilung Δd/d eines kovalenten Materials 0,04. Der Grenzwert ist der Wert, der aus den Gitterkonstanten von Si und Ge in dem Si-Ge-Verbund bestimmt wird, der eine kovalent gebundene gesamtproportionale Festlösung ist. Es wird angenommen, dass der Grenzwert der Gitterkonstantenverteilung Δd/d für alle anderen kovalenten Kristallmaterialien in der vorliegenden Erfindung 0,04 beträgt.
  • Der Wert der Gitterkonstantenverteilung Δd/d beträgt vorzugsweise 0,04 oder weniger. In diesem Bereich ist es leicht, das thermoelektrische Umwandlungsmaterial 21 der vorliegenden Erfindung zu bilden.
  • In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Matrix 22 des thermoelektrischen Umwandlungsmaterials 21 amorph. Jedoch ist diese nicht darauf beschränkt, und die Matrix 22 kann polykristallin sein.
  • In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist der Halbleiter ein Material auf SiGe-Basis, das Si und Ge enthält. Jedoch ist es nicht darauf beschränkt und der kovalente Halbleiter kann ein Material auf AIMnSi-Basis, das AI, Mn und Si enthält, oder ein Material auf BiTe-Basis, das Bi und Te enthält, sein. Ein solcher Halbleiter wird bevorzugt als thermoelektrisches Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung verwendet. Denn es wird davon ausgegangen, dass die Beziehung zwischen der Zusammensetzungsungleichförmigkeit und der Phononverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, solange die Nanoteilchen 23 aus einem kristallisierten kovalenten Halbmaterial gebildet sind.
  • In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird Au als das Zusatzelement verwendet. Jedoch ist diese nicht darauf beschränkt, und das Zusatzelement kann wenigstens eines von Au, Cu, Al, B, Ni und Fe enthalten. Diese Elemente dienen als Kern in der Matrix, die aus einem Halbleiter gebildet ist, und werden somit bevorzugt als Zusatzelemente zum Induzieren einer Ausfällung der Nanoteilchen 23 verwendet.
  • Der Teilchendurchmesser der Nanoteilchen 23 beträgt vorzugsweise 20 nm oder weniger. Auf diese Weise kann die Phononverteilung verbessert und die Wärmeleitfähigkeit verringert werden. Darüber hinaus kann der Seebeck-Koeffizient erhöht werden, und somit kann ZT erhöht werden. Auf diese Weise kann der thermoelektrische Umwandlungswirkungsgrad weiter verbessert werden. Der Teilchendurchmesser der Nanoteilchen 23 beträgt noch bevorzugter 10 nm oder weniger, und noch bevorzugter 5 nm oder weniger. Auf diese Weise kann die Phononverteilung noch weiter verbessert und die Wärmeleitfähigkeit weiter verringert werden.
  • (Ausführungsform 2)
  • Im Nachfolgenden wird ein Stromerzeugungselement und ein Stromerzeugungsmodul, die Ausführungsformen des thermoelektrischen Umwandlungselements und des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls sind, die das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung verwenden, beschrieben.
  • 8 zeigt ein schematisches Diagramm einer Struktur eines thermoelektrischen π-Umwandlungselements (Stromerzeugungselement) 51, das ein thermoelektrisches Umwandlungselement dieser Ausführungsform ist. In 8 umfasst das thermoelektrischeπ-Umwandlungselement 51 eine thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52, die als eine erste thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit dient, eine thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit 53, die als eine zweite thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit dient, eine hochtemperaturseitige Elektrode 54, eine erste niedertemperaturseitige Elektrode 55, eine zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 und einen Draht 57.
  • Die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 ist beispielsweise aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1 gebildet, in dem die Komponentenzusammensetzung so eingestellt ist, dass der Leitfähigkeitstyp auf den p-Typ festgelegt ist. Der Leitfähigkeitstyp der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 wird beispielsweise auf den p-Typ eingestellt, indem das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, das die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 bildet, mit einer p-Verunreinigung dotiert wird, die p-Träger (Löcher) erzeugt, die als Hauptträger dienen.
  • Die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 ist beispielsweise aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1 gebildet, wobei die Komponentenzusammensetzung eingestellt ist, um den Leitfähigkeitstyp auf den n-Typ festzulegen. Der Leitfähigkeitstyp der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 wird auf den n-Typ eingestellt, indem beispielsweise das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, das die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 bildet, mit einer n-Verunreinigung dotiert wird, die n-Träger (Elektronen) erzeugt, die als Hauptträger dienen.
  • Die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 und die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 sind nebeneinander mit einem dazwischen liegenden Zwischenraum angeordnet. Die hochtemperaturseitige Elektrode 54 ist derart angeordnet, dass sie sich von einem Endabschnitt 61 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 zu einem Endabschnitt 62 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 erstreckt. Die hochtemperaturseitige Elektrode ist angeordnet, um mit dem Endabschnitt 61 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 und dem Endabschnitt 62 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 in Kontakt zu stehen. Die hochtemperaturseitige Elektrode 54 ist angeordnet, um den Endabschnitt 61 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 mit dem Endabschnitt 62 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 zu verbinden. Die hochtemperaturseitige Elektrode 54 ist beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie einem Metall, gebildet. Die hochtemperaturseitige Elektrode 54 stellt einen Ohm'schen Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialeinheit 52 und der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 her.
  • Die thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit 52 oder die thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit 53 ist vorzugsweise vom p-Typ oder vom n-Typ; jedoch kann alternativ eine der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialen 52 und 53 ein Metallleiter sein.
  • In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist das thermoelektrische π-Umwandlungselement als ein Beispiel des thermoelektrischen Umwandlungselements der vorliegenden Anmeldung beschrieben, wobei jedoch das thermoelektrische Umwandlungselement der vorliegenden Anmeldung nicht darauf beschränkt ist. Das thermoelektrische Umwandlungselement der vorliegenden Anmeldung kann beispielsweise andere Strukturen, wie beispielsweise ein thermoelektrisches I-Umwandlungselement (Uni-Leg-Typ), aufweisen.
  • Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 55 ist angeordnet, um mit dem anderen Endabschnitt 63 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 in Kontakt zu stehen. Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 55 ist angeordnet, um von der hochtemperaturseitigen Elektrode 54 beabstandet zu sein. Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 55 ist beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie einem Metall, gebildet. Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 55 stellt einen Ohm'schen Kontakt mit der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 her.
  • Die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 ist angeordnet, um mit dem anderen Endabschnitt 64 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 in Kontakt zu stehen. Die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 ist angeordnet, um von der hochtemperaturseitigen Elektrode 54 und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 55 beabstandet zu sein. Die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 ist beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie einem Metall, gebildet. Die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 stellt einen Ohm'schen Kontakt mit der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 her.
  • Der Draht 57 ist einem Leiter, wie einem Metall, gebildet. Der Draht 57 verbindet die erste niedertemperaturseitige Elektrode 55 und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 56 elektrisch miteinander.
  • Wenn in dem thermoelektrischen π-Umwandlungselement 51 beispielsweise eine Temperaturdifferenz zwischen der hohen Temperatur am Endabschnitt 61 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 und am Endabschnitt 62 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 und der niedrigen Temperatur am Endabschnitt 63 der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 und am Endabschnitt 64 der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 gebildet wird, wandern die p-Träger (Löcher) in die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 von dem Endabschnitt 61 in Richtung des Endabschnitts 63. Während dieses Prozesses wandern in der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 die n-Träger (Elektronen) von dem Endabschnitt 62 in Richtung des Endabschnitts 64. Folglich fließt elektrischer Strom im Draht 57 in der Richtung des Pfeils α. Somit wird in dem thermoelektrischen π-Umwandlungselement 51 durch die thermoelektrische Umwandlung unter Verwendung der Temperaturdifferenz Strom erzeugt. Mit anderen Worten ist das thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 51 ein Stromerzeugungselement.
  • Das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, in dem der Wert von ZT erhöht wird, in dem die Wärmeleitfähigkeit hinreichend verringert wird, wird als das Material verwendet, das die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 und die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 bildet. Folglich dient das thermoelektrische π-Umwandlungselement 51 als ein hocheffizientes Stromerzeugungselement.
  • Ferner kann ein Stromerzeugungsmodul, das als ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul dient, erhalten werden, indem mehrere thermoelektrische π-Umwandlungselemente 51 elektrisch verbunden werden. Ein Stromerzeugungsmodul 65, das ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul dieser Ausführungsform ist, weist eine Struktur auf, bei der mehrere thermoelektrische π-Umwandlungselemente 51 in Reihe geschaltet sind.
  • 9 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Struktur des Energieerzeugungsmoduls 65 darstellt. Unter Bezugnahme auf 9, umfasst das Energieerzeugungsmodul 65 dieser Ausführungsform die thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52, die thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53, die niedertemperaturseitigen Elektroden 55, 56, die jeweils der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 55 und der zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode 56 entsprechen, die hochtemperaturseitigen Elektroden 54, ein niedertemperaturseitiges Isoliersubstrat 66 und ein hochtemperaturseitiges Isoliersubstrat 67. Das niedertemperaturseitige Isoliersubstrat 66 und das hochtemperaturseitige Isoliersubstrat 67 sind aus Keramik, wie Aluminiumoxid, gebildet. Die thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und die thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 sind abwechselnd nebeneinander angeordnet. Die niedertemperaturseitigen Elektroden 55, 56 sind angeordnet, um mit den thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und den thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 sowie dem zuvor beschriebenen thermoelektrischen π-Umwandlungselement 51 in Kontakt zu stehen. Die hochtemperaturseitige Elektrode 54 ist angeordnet, um mit den thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und den thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 sowie dem zuvor beschriebenen thermoelektrischen π-Umwandlungselement 51 in Kontakt zu stehen. Jede thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 ist mit einer benachbarten thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 auf einer Seite über eine gemeinsame hochtemperaturseitige Elektrode 54 verbunden. Jede thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit 52 ist mit einer benachbarten thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheit 53 auf der anderen Seite, die sich von der zuvor erwähnten einen Seite unterscheidet, über die gemeinsame niedertemperaturseitige Elektrode 55, 56 verbunden.
  • Folglich sind alle thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 in Reihe geschaltet.
  • Das niedertemperaturseitige Isoliersubstrat 66 ist auf der Hauptflächenseite der plattenförmigen niedertemperaturseitigen Elektrode 55, 56 angeordnet, wobei die Hauptflächenseite gegenüber der Seite liegt, die mit den thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und den thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 in Kontakt steht.
  • Ein niedertemperaturseitiges Isoliersubstrat 66 ist für mehrere (alle) niedertemperaturseitigen Elektroden 55, 56 vorgesehen. Das hochtemperaturseitige Isoliersubstrat 67 ist auf einer Seite der plattenförmigen hochtemperaturseitigen Elektroden 54 angeordnet, wobei die Seite gegenüber der Seite liegt, die mit den thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und den thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 in Kontakt steht. Ein hochtemperaturseitiges Isoliersubstrat 67 ist für mehrere (alle) hochtemperaturseitigen Elektroden 54 vorgesehen.
  • Die Drähte 68 und 69 sind jeweils mit den hochtemperaturseitigen Elektroden 54 oder den niedertemperaturseitigen Elektroden 55, 56 verbunden, die mit den thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 oder den thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 in Kontakt stehen, die an zwei Enden der in Reihe geschalteten thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53 angeordnet sind. Wird eine Temperaturdifferenz zwischen der hohen Temperatur auf der Seite des hochtemperaturseitigen Isoliersubstrats 67 und der niedrigen Temperatur auf der Seite des niedertemperaturseitigen Isoliersubstrats 66 gebildet, fließt elektrischer Strom in die Richtung des Pfeils α durch die in Reihe geschalteten thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialeinheiten 52 und die thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialeinheiten 53, so wie in dem zuvor erwähnten Fall des thermoelektrischen π-Umwandlungselements 51. Auf diese Weise wird in dem Stromerzeugungsmodul 65 durch die thermoelektrische Umwandlung unter Verwendung der Temperaturdifferenz Strom erzeugt.
  • (Ausführungsform 3)
  • Im Nachfolgenden wird ein Infrarotsensor, der ein optischer Sensor ist, als weitere Ausführungsform des thermoelektrischen Umwandlungselements beschrieben, das das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 10 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Struktur eines Infrarotsensors 71. In 10 umfasst der Infrarotsensor 71 eine thermoelektrische p-Umwandlungseinheit 72 und eine thermoelektrische n-Umwandlungseinheit 73, die nebeneinander angeordnet sind. Die thermoelektrische p-Umwandlungseinheit 72 und die thermoelektrische n-Umwandlungseinheit 73 sind auf einem Substrat 74 ausgebildet.
  • Der Infrarotsensor 71 umfasst das Substrat 74, eine Ätzstoppschicht 75, eine thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialschicht 76, eine Ohm'sche n+-Kontaktschicht 77, eine Isolierschicht 78, eine thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht 79, eine Ohm'sche n-seitige Kontaktelektrode 81, eine Ohm'sche p-seitige Kontaktelektrode 82, ein Wärmeabsorptionskissen 83, einen Absorber 84 und eine Schutzfolie 85.
  • Das Substrat 74 ist aus einem Isolator, wie Siliziumdioxid, gebildet. Eine Vertiefung 86 ist in dem Substrat 74 ausgebildet. Die Ätzstoppschicht 75 ist ausgebildet, um die Oberfläche des Substrats 74 zu bedecken. Die Ätzstoppschicht 75 ist beispielsweise aus einem Isolator, wie Siliziumnitrid, gebildet. Zwischen der Ätzstoppschicht 75 und der Vertiefung 86 im Substrat 74 ist ein Zwischenraum vorgesehen.
  • Die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialschicht 76 ist auf einer Hauptfläche der Ätzstoppschicht 75 gebildet, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 74 vorgesehen ist. Die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialschicht 76 ist aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1 gebildet, in dem die Komponentenzusammensetzung eingestellt ist, um den Leitfähigkeitstyp beispielsweise auf den n-Typ festzulegen. Der Leitfähigkeitstyp der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 wird beispielsweise auf den n-Typ festgelegt, indem das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, das die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialschicht 76 bildet, mit einer n-Verunreinigung dotiert wird, die n-Träger (Elektronen) erzeugt, die als Hauptträger dienen. Die Ohm'sche n+-Kontaktschicht 77 ist auf einer Hauptfläche der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 gebildet, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Ätzstoppschicht 75 vorgesehen ist. Die Ohm'sche n+-Kontaktschicht 77 wird beispielsweise mit einer n-Verunreinigung dotiert, die n-Träger (Elektronen) erzeugt, die als Hauptträger dienen, sodass die Konzentration der n-Verunreinigung höher als in der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 ist. Folglich ist der Leitfähigkeitstyp der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 der n-Typ.
  • Die Ohm'sche n-seitige Kontaktelektrode 81 ist angeordnet, um mit einem mittleren Abschnitt einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 in Kontakt zu stehen, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 vorgesehen ist. Die Ohm'sche n-seitige Kontaktelektrode 81 ist aus einem Material, wie beispielsweise einem Metall, gebildet, das einen Ohm'schen Kontakt mit der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 herstellen kann. Die Isolierschicht 78, die aus einem Isolator, wie Siliziumdioxid, gebildet ist, ist auf einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 vorgesehen, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 vorgesehen ist. Die Isolierschicht 78 ist auf einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 angeordnet, wobei die Hauptfläche aus Sicht der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 81 auf der Seite der thermoelektrischen p-Umwandlungseinheit 72 liegt.
  • Die Schutzfolie 85 ist ferner auf einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 vorgesehen, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 vorgesehen ist. Die Schutzfolie 85 ist auf einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 angeordnet, wobei die Hauptfläche aus Sicht der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 81 auf der gegenüberliegenden Seite der thermoelektrischen p-Umwandlungsschicht 72 liegt. Eine weitere Ohm'sche n-seitige Kontaktelektrode 81 ist auf einer Hauptfläche der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 vorgesehen, wobei sich die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 und auf der gegenüberliegenden Seite der zuvor erwähnten Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 81 mit der Schutzfolie 85 dazwischen befindet.
  • Die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht 79 ist auf einer Hauptfläche der Isolierschicht 78 vorgesehen, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 vorgesehen ist. Die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht 79 ist aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1 gebildet, indem die Komponentenzusammensetzung eingestellt ist, um den Leitfähigkeitstyp auf den p-Typ festzulegen. Der Leitfähigkeitstyp der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialschicht 79 wird auf den p-Typ eingestellt, indem beispielsweise das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, das die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht 79 bildet, mit einer p-Verunreinigung dotiert wird, die p-Träger (Löcher) erzeugt, die als Hauptträger dienen.
  • Die Schutzfolie 85 ist in einem mittleren Abschnitt auf einer Hauptfläche der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialschicht 79 angeordnet, wobei die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht 78 liegt. Ein Paar von Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektroden 82, die an die Schutzfolie 85 angrenzen, sind auf einer Hauptfläche der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialschicht 79 angeordnet, wobei sich die Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht 78 befindet. Die Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektroden 82 sind aus einem Material, wie z. B. einem Metall, gebildet, das einen Ohm'schen Kontakt mit der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialschicht 79 herstellen kann. Von dem Paar der Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektroden 82 ist die Ohm'sche p-seitige Kontaktelektrode 82 auf der Seite der thermoelektrischen n-Umwandlungseinheit 73 mit der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 81 verbunden.
  • Der Absorber 84 ist angeordnet, um die Hauptflächen der Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektrode 81 und der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 82, die miteinander verbunden sind, zu bedecken, wobei sich die Hauptflächen auf der gegenüberliegenden Seite der Ohm'schen n+-Kontaktschicht 77 befinden. Der Absorber 84 ist beispielsweise aus Titan gebildet. Das Wärmeabsorptionskissen 83 ist angeordnet, um mit der Oberseite der Ohm'schen p-Kontaktelektrode 81 in Kontakt zu stehen, die nicht mit der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 82 verbunden ist. Das Wärmeabsorptionskissen 83 ist angeordnet, um mit der Oberseite der Ohm'schen n-Kontaktelektrode 82 in Kontakt zu stehen, die nicht mit der Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektrode 81 verbunden ist. Ein Beispiel des Materials, das das Wärmeabsorptionskissen 83 bildet, ist Gold (Au)/Titan (Ti).
  • Wird ein Infrarotstrahl auf den Infrarotsensor 71 aufgebracht, absorbiert der Absorber 84 die Energie des Infrarotstrahls. Dadurch steigt die Temperatur des Absorbers 84. Indes wird der Temperaturanstieg des Wärmeabsorptionskissens 83 unterdrückt. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen dem Absorber 84 und dem Wärmeabsorptionskissen 83. Somit wandern in der thermoelektrischen p-Umwandlungsmaterialschicht 79 die p-Träger (Löcher) von dem Absorber 84 in Richtung des Wärmeabsorptionskissens 83. Indes wandern in der thermoelektrischen n-Umwandlungsmaterialschicht 76 die n-Träger (Elektronen) von dem Absorber 84 in Richtung des Wärmeabsorptionskissens 83. Anschließend wird ein elektrischer Strom, der als Ergebnis der Wanderung der Träger von der Ohm'schen n-seitigen Kontaktelektrode 81 und der Ohm'schen p-seitigen Kontaktelektrode 82 erzeugt wird, extrahiert und als Ergebnis der Infrarotstrahl erfasst.
  • Der Infrarotsensor 71 dieser Ausführungsform verwendet das thermoelektrische Umwandlungsmaterial der Ausführungsform 1, bei dem der Wert von ZT erhöht wird, indem die Wärmeleitfähigkeit hinreichend verringert wird, als das Material, das die thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht 79 und die thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialschicht 76 bildet. Somit weist der Infrarotsensor 71 eine hohe Empfindlichkeit auf.
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen dienen in jeder Hinsicht als Beispiel und sind in keinerlei Hinsicht als einschränkend zu erachten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die vorstehende Beschreibung, sondern durch die Ansprüche definiert und soll alle Änderungen und Modifikationen im Sinne der Ansprüche und Äquivalente umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Mehrschichtkörper
    12
    Saphirsubstrat
    13
    amorphe Si-Schicht
    14, 16
    amorphe Ge-Schicht
    15
    Au-Schicht
    17
    Mehrschichteinheit
    21
    thermoelektrisches Umwandlungsmaterial
    22
    Matrix
    23
    Nanoteilchen
    31, 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g, 34h, 34i, 34j, 34k, 34l, 34m
    Peak
    32
    durchgezogene Linie
    33
    gestrichelte Linie
    36a, 36b, 36c
    gerade Linie
    51
    thermoelektrisches π-Umwandlungselement
    52
    thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialeinheit
    53
    thermoelektrische n-Umwandlungsmaterialeinheit
    54
    hochtemperaturseitige Elektrode
    55
    erste niedertemperaturseitige Elektrode (niedertemperaturseitige Elektrode)
    56
    zweite niedertemperaturseitige Elektrode (niedertemperaturseitige Elektrode)
    57, 68, 69
    Draht
    61, 62, 63, 63, 64
    Endabschnitt
    65
    Stromerzeugungsmodul
    66
    niedertemperaturseitiges Isoliersubstrat
    67
    hochtemperaturseitiges Isoliersubstrat
    71
    Infrarot-Sensor
    72
    thermoelektrische p-Umwandlungseinheit
    73
    thermoelektrische n-Umwandlungseinheit
    74
    Substrat
    75
    Ätzstoppschicht
    76
    thermoelektrische n--Umwandlungsmaterialschicht
    77
    Ohm'sche n+-Kontaktschicht
    78
    Isolierschicht
    79
    thermoelektrische p-Umwandlungsmaterialschicht
    81
    Ohm'sche n-Kontaktelektrode
    82
    Ohm'sche p-Kontaktelektrode
    83
    Wärmeabsorptionskissen
    84
    Absorber
    85
    Schutzfolie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2017112986 [0001]

Claims (9)

  1. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial, umfassend: eine Matrix, die aus einem Halbleiter besteht; und Nanoteilchen, die in der Matrix angeordnet sind, wobei die Nanoteilchen eine Gitterkonstantenverteilung Δd/d von 0,0055 oder mehr aufweisen.
  2. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial nach Anspruch 1, wobei die Matrix amorph ist.
  3. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanoteilchen eine Gitterkonstantenverteilung Δd/d von 0,04 oder weniger aufweisen.
  4. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nanoteilchen einen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger aufweisen.
  5. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Halbleiter ein Si und Ge enthaltendes Material auf SiGe-Basis, ein Al, Mn und Si enthaltendes Material auf AlMnSi-Basis oder ein Bi und Te enthaltendes Material auf BiTe-Basis ist.
  6. Thermoelektrisches Umwandlungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das als Zusatzelement wenigstens eines von Au, Cu, Al, B, Ni und Fe enthält.
  7. Thermoelektrisches Umwandlungselement, umfassend: eine thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit; eine erste Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialeinheit steht; und eine zweite Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie in Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungsmaterialeinheit steht und von der ersten Elektrode entfernt ist, wobei die thermoelektrische Umwandlungsmaterialeinheit aus dem thermoelektrischen Umwandlungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gebildet ist, wobei das thermoelektrische Umwandlungsmaterial eine Komponentenzusammensetzung aufweist, die so eingestellt ist, dass ein Leitfähigkeitstyp auf einen p-Typ oder einen n-Typ festgelegt ist.
  8. Thermoelektrisches Umwandlungsmodul, umfassend eine Vielzahl der thermoelektrischen Umwandlungselemente nach Anspruch 7.
  9. Optischer Sensor, umfassend das thermoelektrische Umwandlungsmodul nach Anspruch 8.
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