JP2001007409A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
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- JP2001007409A JP2001007409A JP11173410A JP17341099A JP2001007409A JP 2001007409 A JP2001007409 A JP 2001007409A JP 11173410 A JP11173410 A JP 11173410A JP 17341099 A JP17341099 A JP 17341099A JP 2001007409 A JP2001007409 A JP 2001007409A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱電特性を高める。
【解決手段】 材料組成を交互に変化させて積層してな
る多層膜構成を有しているとともに、膜１と膜２との界
面における荒れを膜厚に対して所定の割合になるように
設定して、低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄
与を減少させる。
る多層膜構成を有しているとともに、膜１と膜２との界
面における荒れを膜厚に対して所定の割合になるように
設定して、低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄
与を減少させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は冷却・発電装置に
用いられる熱電変換素子に関する。
用いられる熱電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、冷却・発電装置に用いられる
熱電変換素子として、材料組成を交互に変化させて積層
してなる多層膜構成を採用したものが提案されている。
そして、この場合には、電子の移動度を減少させないよ
うにするために、完全な平坦面に近い界面を有する超格
子熱電材料を用いたものが採用される｛例えば、”Ｅｘ
ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅ
ｆｆｅｃｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ ｆｉｇｕｒｅ ｐｆ ｍｅｒｉｔ”，Ｌ．
Ｄ．Ｈｉｃｋｓ ｅｔ． ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．
Ｂ．Ｖｏｌｕｍｅ５３（１９９６）Ｒ１０４９３−Ｒ１
０４９６参照｝。
熱電変換素子として、材料組成を交互に変化させて積層
してなる多層膜構成を採用したものが提案されている。
そして、この場合には、電子の移動度を減少させないよ
うにするために、完全な平坦面に近い界面を有する超格
子熱電材料を用いたものが採用される｛例えば、”Ｅｘ
ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅ
ｆｆｅｃｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ ｆｉｇｕｒｅ ｐｆ ｍｅｒｉｔ”，Ｌ．
Ｄ．Ｈｉｃｋｓ ｅｔ． ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．
Ｂ．Ｖｏｌｕｍｅ５３（１９９６）Ｒ１０４９３−Ｒ１
０４９６参照｝。
【０００３】このように提案されている熱電変換素子に
おいては、膜の低次元性（２次元性）に起因する電子輸
送特性の変化に着目した性能向上効果を利用している。
この場合、電子に２次元的な運動をさせるために、熱電
効果を担う薄膜内に電子を閉じ込める必要がある。この
ため、薄膜の両側を絶縁層で挟む構成を採用する。
おいては、膜の低次元性（２次元性）に起因する電子輸
送特性の変化に着目した性能向上効果を利用している。
この場合、電子に２次元的な運動をさせるために、熱電
効果を担う薄膜内に電子を閉じ込める必要がある。この
ため、薄膜の両側を絶縁層で挟む構成を採用する。
【０００４】上記の構成を採用すれば、低次元性によっ
て、熱電効果を担う薄膜の特性を向上させることができ
る。
て、熱電効果を担う薄膜の特性を向上させることができ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の構成の熱電変換
素子においては、熱電効果を担う薄膜の特性を向上され
ることができるものの、薄膜の両側の絶縁層は熱電効果
に寄与せず特性を落とす効果を持つため、多層膜全体と
してのエネルギー変換効率の改善は著しく少なく、ひい
ては、最終的に得られる熱電変換素子の熱電変換効率を
余り高めることができないという不都合がある。
素子においては、熱電効果を担う薄膜の特性を向上され
ることができるものの、薄膜の両側の絶縁層は熱電効果
に寄与せず特性を落とす効果を持つため、多層膜全体と
してのエネルギー変換効率の改善は著しく少なく、ひい
ては、最終的に得られる熱電変換素子の熱電変換効率を
余り高めることができないという不都合がある。
【０００６】また、完全な平坦面に近い界面を有する超
格子熱電材料を作製するためには、製膜速度を遅くして
製膜プロセスを精密に制御する必要があるため、多層膜
全体の厚みを大きくすることができないという不都合も
ある。
格子熱電材料を作製するためには、製膜速度を遅くして
製膜プロセスを精密に制御する必要があるため、多層膜
全体の厚みを大きくすることができないという不都合も
ある。
【０００７】さらに、実際に作製された超格子熱電材料
薄膜の界面はある程度荒れているので、薄膜内に閉じ込
められた電子の移動度を減少させてしまい、多層膜全体
としてのエネルギー変換効率の低下を招き、ひいては、
最終的に得られる熱電変換素子の熱電変換効率の低下を
招いてしまうという不都合もある。
薄膜の界面はある程度荒れているので、薄膜内に閉じ込
められた電子の移動度を減少させてしまい、多層膜全体
としてのエネルギー変換効率の低下を招き、ひいては、
最終的に得られる熱電変換素子の熱電変換効率の低下を
招いてしまうという不都合もある。
【０００８】
【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、熱電特性を高めることができる熱電変換
素子を提供することを目的としている。
たものであり、熱電特性を高めることができる熱電変換
素子を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の熱電変換素子
は、材料組成を交互に変化させて積層してなる多層膜構
成を有しているとともに、膜と膜との界面における荒れ
を膜厚に対して所定の割合になるように設定してあるも
のである。
は、材料組成を交互に変化させて積層してなる多層膜構
成を有しているとともに、膜と膜との界面における荒れ
を膜厚に対して所定の割合になるように設定してあるも
のである。
【００１０】請求項２の熱電変換素子は、膜に平行な方
向に電流を流すように電極端子が設けられたものであ
る。
向に電流を流すように電極端子が設けられたものであ
る。
【００１１】請求項３の熱電変換素子は、膜に垂直な方
向に電流を流すように電極端子が設けられたものであ
る。
向に電流を流すように電極端子が設けられたものであ
る。
【００１２】
【作用】請求項１の熱電変換素子であれば、材料組成を
交互に変化させて積層してなる多層膜構成を有している
とともに、膜と膜との界面における荒れを膜厚に対して
所定の割合になるように設定してあるので、低エネルギ
ー・キャリアから輸送過程への寄与を減少させ、熱電特
性を高めることができる。
交互に変化させて積層してなる多層膜構成を有している
とともに、膜と膜との界面における荒れを膜厚に対して
所定の割合になるように設定してあるので、低エネルギ
ー・キャリアから輸送過程への寄与を減少させ、熱電特
性を高めることができる。
【００１３】請求項２の熱電変換素子であれば、膜に平
行な方向に電流を流すように電極端子が設けられている
ので、両電極端子を通して電流を流すことによって、低
エネルギー・キャリアが膜の厚みを越えない荒れによっ
て散乱され、ひいては低エネルギー・キャリアから輸送
過程への寄与を減少させ、熱電特性を高めることができ
る。
行な方向に電流を流すように電極端子が設けられている
ので、両電極端子を通して電流を流すことによって、低
エネルギー・キャリアが膜の厚みを越えない荒れによっ
て散乱され、ひいては低エネルギー・キャリアから輸送
過程への寄与を減少させ、熱電特性を高めることができ
る。
【００１４】請求項３の熱電変換素子であれば、膜に垂
直な方向に電流を流すように電極端子が設けられている
ので、両電極端子を通して電流を流すことによって、低
エネルギー・キャリアが膜の全範囲にわたって存在する
荒れによって散乱され、ひいては低エネルギー・キャリ
アから輸送過程への寄与を大幅に減少させ、熱電特性を
一層高めることができる。ただし、この場合には、請求
項２と比較して、膜と膜との界面における荒れの影響を
大きく受けるので、熱電特性を一層高めることができ
る。
直な方向に電流を流すように電極端子が設けられている
ので、両電極端子を通して電流を流すことによって、低
エネルギー・キャリアが膜の全範囲にわたって存在する
荒れによって散乱され、ひいては低エネルギー・キャリ
アから輸送過程への寄与を大幅に減少させ、熱電特性を
一層高めることができる。ただし、この場合には、請求
項２と比較して、膜と膜との界面における荒れの影響を
大きく受けるので、熱電特性を一層高めることができ
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この
発明の熱電変換素子の実施の態様を詳細に説明する。
発明の熱電変換素子の実施の態様を詳細に説明する。
【００１６】図１はこの発明の熱電変換素子の要部の構
成を示す縦断面図である。
成を示す縦断面図である。
【００１７】この熱電変換素子は、材料Ａからなる膜１
と、材料Ｂからなる膜２とを交互に積層形成してなる多
層膜構造を採用している。
と、材料Ｂからなる膜２とを交互に積層形成してなる多
層膜構造を採用している。
【００１８】前記材料Ａとしては、例えば、Ｂｉ2Ｔｅ
3(1-x)Ｓｅ3x，ｘ＝０〜０．４（ｎ型材料）、もしくは
Ｂｉ2(1-x)Ｓｂ2xＴｅ3，ｘ＝１．０〜０．６（ｐ型材
料）を採用し、前記材料Ｂとしては、例えば、Ｂｉ2Ｔ
ｅ3(1-x)Ｓｅ3x，ｘ＝０．３〜０．８（ｎ型材料）、も
しくはＢｉ2(1-x)Ｓｂ2xＴｅ3，ｘ＝０．７〜０．３
（ｐ型材料）を採用する。ただし、材料Ａ、材料Ｂとし
て上記以外の組成のものを採用してもよいが、材料Ａと
材料Ｂとでは、有限の組成差を持たせておくことが必要
である。
3(1-x)Ｓｅ3x，ｘ＝０〜０．４（ｎ型材料）、もしくは
Ｂｉ2(1-x)Ｓｂ2xＴｅ3，ｘ＝１．０〜０．６（ｐ型材
料）を採用し、前記材料Ｂとしては、例えば、Ｂｉ2Ｔ
ｅ3(1-x)Ｓｅ3x，ｘ＝０．３〜０．８（ｎ型材料）、も
しくはＢｉ2(1-x)Ｓｂ2xＴｅ3，ｘ＝０．７〜０．３
（ｐ型材料）を採用する。ただし、材料Ａ、材料Ｂとし
て上記以外の組成のものを採用してもよいが、材料Ａと
材料Ｂとでは、有限の組成差を持たせておくことが必要
である。
【００１９】また、前記膜１の膜厚は、例えば、０．１
μｍ〜０．０１μｍに設定され、前記膜２の膜厚は、例
えば、０．１μｍ〜０．０１μｍに設定される。
μｍ〜０．０１μｍに設定され、前記膜２の膜厚は、例
えば、０．１μｍ〜０．０１μｍに設定される。
【００２０】さらに、膜１と膜２との界面の荒れは、η
＝０．０５μｍ〜０．００５μｍ（ただし、膜１、膜２
の膜厚未満）に設定される。具体的には、例えば、製膜
速度を速くし、製膜プロセスの制御をラフにすることに
より、界面の荒れを大きくすることができる。また、製
膜プロセスとしては、従来公知の種々の方法（真空蒸着
法、電解析出法など）を採用することが可能である。
＝０．０５μｍ〜０．００５μｍ（ただし、膜１、膜２
の膜厚未満）に設定される。具体的には、例えば、製膜
速度を速くし、製膜プロセスの制御をラフにすることに
より、界面の荒れを大きくすることができる。また、製
膜プロセスとしては、従来公知の種々の方法（真空蒸着
法、電解析出法など）を採用することが可能である。
【００２１】上記の構成の熱電変換素子に対して、多層
膜の膜面に垂直な方向、もしくは平行な方向に電圧を印
加し、あるいは温度勾配を与えることにより、熱電変換
動作を実現することができる。
膜の膜面に垂直な方向、もしくは平行な方向に電圧を印
加し、あるいは温度勾配を与えることにより、熱電変換
動作を実現することができる。
【００２２】そして、このように熱電変換動作を行わせ
たところ、高い熱電特性を実現できる。
たところ、高い熱電特性を実現できる。
【００２３】さらに詳細に説明する。
【００２４】図１に示すように、材料Ａからなる膜と材
料Ｂからなる膜との界面が荒れている場合において、膜
の積層方向をｚ方向とし、ｚ＝０で理想的に接合が形成
された場合からの界面のずれを変数ζ（ｘ，ｙ）とすれ
ば（図２参照）、このずれの統計分布はガウス分布ｅｘ
ｐ［−ζ2（ｘ，ｙ）／２η2］／（２π）1/2ηにより
特徴づけられる。すなわち、界面の統計的性質は、＜ζ
（ｘ，ｙ）＞＝０、＜ζ2（ｘ，ｙ）＞＝η2により特徴
づけられる。ここで、＜Ａ（ｘ，ｙ）＞は上記のガウス
分布により物理量Ａ（ｘ，ｙ）の平均をとる操作を意味
する。
料Ｂからなる膜との界面が荒れている場合において、膜
の積層方向をｚ方向とし、ｚ＝０で理想的に接合が形成
された場合からの界面のずれを変数ζ（ｘ，ｙ）とすれ
ば（図２参照）、このずれの統計分布はガウス分布ｅｘ
ｐ［−ζ2（ｘ，ｙ）／２η2］／（２π）1/2ηにより
特徴づけられる。すなわち、界面の統計的性質は、＜ζ
（ｘ，ｙ）＞＝０、＜ζ2（ｘ，ｙ）＞＝η2により特徴
づけられる。ここで、＜Ａ（ｘ，ｙ）＞は上記のガウス
分布により物理量Ａ（ｘ，ｙ）の平均をとる操作を意味
する。
【００２５】そして、この荒れた界面によりキャリア
（電子、ホール）は散乱を受ける。また、キャリアは、
強制的に２次元動作を行わせられるのではなく、３次元
的に動作するのであるから、従来の超格子熱電変換素子
とは熱電変換の動作原理が全く異なる。
（電子、ホール）は散乱を受ける。また、キャリアは、
強制的に２次元動作を行わせられるのではなく、３次元
的に動作するのであるから、従来の超格子熱電変換素子
とは熱電変換の動作原理が全く異なる。
【００２６】このような統計的性質を有する界面の荒れ
によるキャリアの散乱確率はｅｘｐ［−８ｍ*η2ε／Π
2］に比例することが知られている。ここで、ｍ*はキャ
リアの有効質量、εはキャリアの運動エネルギーのｚ成
分、Πはプランク定数を２πで割った値である。したが
って、キャリアのエネルギーが小さいほど界面の荒れに
よって散乱を頻繁に受ける。このため、低エネルギー・
キャリアから輸送過程への寄与は減少する。
によるキャリアの散乱確率はｅｘｐ［−８ｍ*η2ε／Π
2］に比例することが知られている。ここで、ｍ*はキャ
リアの有効質量、εはキャリアの運動エネルギーのｚ成
分、Πはプランク定数を２πで割った値である。したが
って、キャリアのエネルギーが小さいほど界面の荒れに
よって散乱を頻繁に受ける。このため、低エネルギー・
キャリアから輸送過程への寄与は減少する。
【００２７】また、低エネルギー・キャリアから輸送過
程への寄与が減少すると熱電特性が改善されることが知
られている｛”Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉ
ｎｇｔｈｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍ
ｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉ
ｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｅｎｅ
ｒｇｙ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｃａｒｒｉｅｒｓ”，Ｙｏ
ｓｈｉｍａｓａ Ｎｉｓｈｉｏ ａｎｄ Ｔｏｈｒｕ
Ｈｉｒａｎｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ
ｌ．３６（１９９７），ｐｐ．５１８１−５１８２参
照｝。
程への寄与が減少すると熱電特性が改善されることが知
られている｛”Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉ
ｎｇｔｈｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍ
ｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉ
ｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｅｎｅ
ｒｇｙ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｃａｒｒｉｅｒｓ”，Ｙｏ
ｓｈｉｍａｓａ Ｎｉｓｈｉｏ ａｎｄ Ｔｏｈｒｕ
Ｈｉｒａｎｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ
ｌ．３６（１９９７），ｐｐ．５１８１−５１８２参
照｝。
【００２８】したがって、上述のように界面の荒れによ
り低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄与が減少
し、熱電特性が向上する。また、この界面の荒れは格子
熱伝導率も減少させる。そして、格子熱伝導率の減少も
熱電特性の向上に寄与する。
り低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄与が減少
し、熱電特性が向上する。また、この界面の荒れは格子
熱伝導率も減少させる。そして、格子熱伝導率の減少も
熱電特性の向上に寄与する。
【００２９】この結果、界面の荒れに起因するこの２つ
の効果により、熱電変換素子の熱電特性の向上を達成す
ることができる。
の効果により、熱電変換素子の熱電特性の向上を達成す
ることができる。
【００３０】また、多層膜の膜面に垂直な方向に電圧を
印加した場合と多層膜の膜面に平行な方向に電圧を印加
した場合とで熱電特性を比較したところ、多層膜の膜面
に垂直な方向に電圧を印加した場合の方が高い熱電特性
を実現できる。
印加した場合と多層膜の膜面に平行な方向に電圧を印加
した場合とで熱電特性を比較したところ、多層膜の膜面
に垂直な方向に電圧を印加した場合の方が高い熱電特性
を実現できる。
【００３１】
【発明の効果】請求項１の発明は、低エネルギー・キャ
リアから輸送過程への寄与を減少させ、熱電特性を高め
ることができるという特有の効果を奏する。
リアから輸送過程への寄与を減少させ、熱電特性を高め
ることができるという特有の効果を奏する。
【００３２】請求項２の発明は、両電極端子を通して電
流を流すことによって、低エネルギー・キャリアが膜の
厚みを越えない荒れによって散乱され、ひいては低エネ
ルギー・キャリアから輸送過程への寄与を減少させ、熱
電特性を高めることができるという特有の効果を奏す
る。
流を流すことによって、低エネルギー・キャリアが膜の
厚みを越えない荒れによって散乱され、ひいては低エネ
ルギー・キャリアから輸送過程への寄与を減少させ、熱
電特性を高めることができるという特有の効果を奏す
る。
【００３３】請求項３の発明は、両電極端子を通して電
流を流すことによって、低エネルギー・キャリアが膜の
全範囲にわたって存在する荒れによって散乱され、ひい
ては低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄与を大
幅に減少させ、熱電特性を一層高めることができるとい
う特有の効果を奏する。
流を流すことによって、低エネルギー・キャリアが膜の
全範囲にわたって存在する荒れによって散乱され、ひい
ては低エネルギー・キャリアから輸送過程への寄与を大
幅に減少させ、熱電特性を一層高めることができるとい
う特有の効果を奏する。
【図１】この発明の熱電変換素子の要部の構成を示す縦
断面図である。
断面図である。
【図２】界面の荒れのモデルを示す図である。
１、２ 膜
Claims (3)
- 【請求項１】 材料組成を交互に変化させて積層してな
る多層膜構成を有しているとともに、膜と膜との界面に
おける荒れを膜厚に対して所定の割合になるように設定
してあることを特徴とする熱電変換素子。 - 【請求項２】 膜に平行な方向に電流を流すように電極
端子が設けられている請求項１に記載の熱電変換素子。 - 【請求項３】 膜に垂直な方向に電流を流すように電極
端子が設けられている請求項１に記載の熱電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11173410A JP2001007409A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11173410A JP2001007409A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 熱電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001007409A true JP2001007409A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=15959926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11173410A Pending JP2001007409A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001007409A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004064169A1 (ja) * | 2003-01-09 | 2004-07-29 | Japan As Represented By President Of Kanazawa University | 構造傾斜材料とこれを用いた機能素子 |
| JP2010147465A (ja) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd | フリップチップ半導体素子の熱電冷却器 |
| JP2012235113A (ja) * | 2011-05-04 | 2012-11-29 | Consorzio Delta Ti Research | ナノメートル（ｎｍ）級の厚さの導電層と誘電体層を交互に積層したセーベック／ペルティ効果を利用した熱−電気変換装置 |
| JP2015043412A (ja) * | 2013-07-22 | 2015-03-05 | 国立大学法人山梨大学 | 熱電素子及びその製造方法 |
-
1999
- 1999-06-18 JP JP11173410A patent/JP2001007409A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004064169A1 (ja) * | 2003-01-09 | 2004-07-29 | Japan As Represented By President Of Kanazawa University | 構造傾斜材料とこれを用いた機能素子 |
| JP2010147465A (ja) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd | フリップチップ半導体素子の熱電冷却器 |
| JP2012235113A (ja) * | 2011-05-04 | 2012-11-29 | Consorzio Delta Ti Research | ナノメートル（ｎｍ）級の厚さの導電層と誘電体層を交互に積層したセーベック／ペルティ効果を利用した熱−電気変換装置 |
| JP2015043412A (ja) * | 2013-07-22 | 2015-03-05 | 国立大学法人山梨大学 | 熱電素子及びその製造方法 |
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