JP2006140334A - Thermoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規な構造を有する熱電変換材料を用いた熱電変換素子に係り、特に、熱から電気への変換又は電気から熱への変換を行う熱電変換素子において、高い熱電性能指数を有する新規な熱電変換材料を有する熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element using a thermoelectric conversion material having a novel structure, and in particular, in a thermoelectric conversion element that performs conversion from heat to electricity or from electricity to heat, the novel has a high thermoelectric figure of merit. The present invention relates to a thermoelectric conversion element having an appropriate thermoelectric conversion material.
熱電変換材料を低次元化（量子細線構造や超格子構造）することで、バルク状態の同じ熱電変換材料と比べて、熱電性能指数が増加することが知られている（非特許文献１参照）。 It is known that the thermoelectric performance index is increased by reducing the dimension of the thermoelectric conversion material (quantum wire structure or superlattice structure) compared to the thermoelectric conversion material in the bulk state (see Non-Patent Document 1). .
その大きな理由としては、材料を低次元化することにより発生する量子効果により、状態密度が変化することで、バルクに比べて高いゼーベック係数αが予測され、さらに、バルクに比べて異なる材料どうしの界面が増加するため、熱を伝達するフォノンの散乱確率が増加する（熱伝導率が低下することを意味している）ことが予測されている。 The main reason is that a high Seebeck coefficient α is predicted compared to the bulk due to the change in the density of states due to the quantum effect generated by reducing the dimensions of the material. Since the interface increases, it is predicted that the scattering probability of phonons that transfer heat will increase (meaning that the thermal conductivity will decrease).
熱電物質の特性指標として一般的に使われている性能指数Ｚは、
Ｚ＝α２／χρ （１）
と定義されている。ここで、αがゼーベック係数であり、χが熱伝導率であり、ρが抵抗率である。
The figure of merit Z, which is commonly used as a characteristic index of thermoelectric materials, is
Z = α 2 / χρ (1)
It is defined as Here, α is the Seebeck coefficient, χ is the thermal conductivity, and ρ is the resistivity.
この式から明らかなように、抵抗率ρを変化させずに、ゼーベック係数αが増加し、熱伝導率χが低下すれば、性能指数Ｚは増加し、変換効率が増加する。 As is apparent from this equation, if the Seebeck coefficient α increases and the thermal conductivity χ decreases without changing the resistivity ρ, the figure of merit Z increases and the conversion efficiency increases.
このような理由から、熱電変換材料を低次元化（量子細線構造や超格子構造）することは熱電変換素子の効率をあげる上で非常に有効である。 For these reasons, reducing the dimension of the thermoelectric conversion material (quantum wire structure or superlattice structure) is very effective for increasing the efficiency of the thermoelectric conversion element.
特に、熱電変換物質の量子細線化（ナノワイヤ化）は、界面及び量子効果が超格子構造より、大きくなることが予測されるため非常に有効となる。 In particular, quantum wire thinning (nanowire conversion) of thermoelectric conversion materials is very effective because the interface and quantum effect are expected to be larger than the superlattice structure.
そこで、性能指数Ｚを増加させるため（熱電変換素子の変換効率を向上させるため）に、様々な熱電物質（主に半導体材料）をナノワイヤ化（量子細線化）することが行われている。 Therefore, in order to increase the figure of merit Z (in order to improve the conversion efficiency of the thermoelectric conversion element), various thermoelectric substances (mainly semiconductor materials) are made into nanowires (quantum thinning).
例えば、アルミニウムの陽極酸化により形成された多孔質酸化被膜（陽極酸化アルミナ）内の細孔に、熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３やＢｉなどを充填し、熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３やＢｉなどをナノワイヤ化することが試みられている（非特許文献２参照）。 For example, pores in a porous oxide film (anodized alumina) formed by aluminum anodization are filled with thermoelectric materials such as Bi 2 Te 3 and Bi, and thermoelectric materials such as Bi 2 Te 3 and Bi. Attempts have been made to make them into nanowires (see Non-Patent Document 2).
ここで、アルミニウムの陽極酸化について簡単に説明する。 Here, anodization of aluminum will be briefly described.
アルミニウムの陽極酸化は、アルミニウム板又は基板上に形成されたアルミニウム膜を酸性電解質中で陽極酸化すると、多孔質酸化被膜（陽極酸化アルミナ）が形成される（非特許文献３参照）。 In the anodic oxidation of aluminum, when an aluminum film formed on an aluminum plate or substrate is anodized in an acidic electrolyte, a porous oxide film (anodized alumina) is formed (see Non-Patent Document 3).
この多孔質酸化被膜の特徴は、直径が数ｎｍ〜数百ｎｍの極めて微細な円柱状の細孔（ナノホール）が、数十ｎｍ〜数百ｎｍの間隔（セルサイズ）でほぼ平行に配列するという特異的な幾何学的構造を有することにある。 The feature of this porous oxide film is that extremely fine cylindrical pores (nanoholes) having a diameter of several nanometers to several hundred nanometers are arranged almost in parallel at intervals (cell size) of several tens of nanometers to several hundred nanometers. It has a unique geometric structure.
この円柱状の細孔は、細孔間隔が数十ｎｍ以上の場合では、高いアスペクト比を有し、断面の径の一様性にも比較的優れている。 These cylindrical pores have a high aspect ratio and relatively excellent cross-sectional diameter uniformity when the pore spacing is several tens of nanometers or more.
この細孔の径及び間隔は、陽極酸化の際の酸の種類及び電圧を調整することによりある程度の制御が可能である。 The diameter and interval of the pores can be controlled to some extent by adjusting the acid type and voltage during anodization.
したがって、このようなアルミニウムの陽極酸化を鋳型として、熱電物質をナノワイヤ化することで簡単に性能指数Ｚを増加させることが可能となる。 Therefore, it is possible to easily increase the figure of merit Z by making the thermoelectric material into nanowires using such anodization of aluminum as a template.
一方、このような方法で作製されたナノワイヤ型熱電物質を用いた熱電変換素子は、一般的に膜面に対して垂直な方向に温度差を取るように設計されている。 On the other hand, a thermoelectric conversion element using a nanowire type thermoelectric material manufactured by such a method is generally designed to take a temperature difference in a direction perpendicular to the film surface.
その理由の一つは、隣接するナノワイヤ化された熱電物質の間にある陽極酸化アルミナに厚さが比較的厚いため、膜面方向の抵抗率が高いためである。
一方、上記したように膜面に対して垂直な方向に温度差をとるような場合においては、ナノワイヤ化された熱電物質の高さが十分に取れない場合（例えば、３０μｍ以下）、例えば熱電発電素子を考えると、上下での熱流が大きくなるため、低温側から大気への熱抵抗が大きいと、素子の間で温度差を保つことが困難になり、大きな出力が得られにくいことが生じる可能性がある。また、同様に冷却素子として熱電変換素子が使われるときにおいても、発熱側から大気への熱抵抗が大きい場合、十分な冷却効果が得られなくなる。 On the other hand, in the case where the temperature difference is taken in the direction perpendicular to the film surface as described above, when the height of the nanowired thermoelectric material cannot be sufficiently obtained (for example, 30 μm or less), for example, thermoelectric power generation Considering the element, since the heat flow at the top and bottom becomes large, if the thermal resistance from the low temperature side to the atmosphere is large, it is difficult to maintain the temperature difference between the elements, and it may be difficult to obtain a large output There is sex. Similarly, when a thermoelectric conversion element is used as a cooling element, a sufficient cooling effect cannot be obtained if the thermal resistance from the heat generation side to the atmosphere is large.
そこで、本発明では、上記の問題に対して、ナノワイヤ化した熱電物質の高さが十分に取れない場合においても、膜面に対してほぼ平行な方向に電流を流すことが可能な素子設計とすることで、膜面に対してほぼ平行に温度差をとり大きな出力を得ることが可能な熱電変換素子を提供することを目的としている。 Therefore, in the present invention, with respect to the above problems, even when the height of the nanowire-formed thermoelectric material is not sufficient, an element design that allows current to flow in a direction substantially parallel to the film surface and Thus, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element capable of obtaining a large output by taking a temperature difference substantially parallel to the film surface.
本発明は、上記課題を解決するための手段として、熱電変換材料よりなる柱状構造体が、絶縁材料からなる多孔質膜によって取り囲まれてなる熱電変換素子であって、前記柱状構造体は前記膜の膜面に対してほぼ垂直に形成されており、かつ、当該熱電変換材料における温度分布が前記膜面に対してほぼ平行であることを特徴とする。 The present invention provides a thermoelectric conversion element in which a columnar structure made of a thermoelectric conversion material is surrounded by a porous film made of an insulating material as a means for solving the above-mentioned problem, and the columnar structure is the film And the temperature distribution of the thermoelectric conversion material is substantially parallel to the film surface.
ここで、ほぼ垂直とは本発明の効果を奏する垂直性があればよい。 Here, the term “substantially vertical” is sufficient if it has the verticality that provides the effects of the present invention.
同様に、ほぼ平行とは本発明の効果を奏する平行性があればよい。 Similarly, the term “substantially parallel” is sufficient if there is parallelism that provides the effects of the present invention.
また、本発明は、互いに隣接する前記柱状構造体を取り囲む前記絶縁性物質の厚さは３ｎｍ以下であることを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the thickness of the insulating material surrounding the columnar structures adjacent to each other is 3 nm or less.
さらに、本発明は、前記絶縁性物質は薄膜状に形成されていることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is characterized in that the insulating substance is formed in a thin film shape.
また、本発明は、前記絶縁性物質は、非晶質材料であることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that the insulating substance is an amorphous material.
また、本発明は、前記絶縁性物質は、シリコン及びゲルマニウムのいずれかであるか、又は当該各物質の混合物若しくは酸化物であることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that the insulating material is any one of silicon and germanium, or a mixture or oxide of each of the materials.
また、本発明は、前記柱状構造体の等価円直径は、０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする。 In the present invention, the columnar structure has an equivalent circular diameter of 0.5 nm or more and 15 nm or less.
また、本発明は、前記柱状構造体の平均間隔は、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする。 In the invention, it is preferable that an average interval between the columnar structures is 5 nm or more and 20 nm or less.
本発明によれば、熱電変換材料を構成する複数の熱電変換物質が膜面に対してほぼ垂直な円柱状構造体で、かつ、その熱電変換物質が絶縁性材料に取り囲まれており、また、熱電変換素子において温度差のある方向が熱電変換材料の膜面に対してほぼ平行にすることで、変換効率の高い熱電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, the plurality of thermoelectric conversion substances constituting the thermoelectric conversion material is a cylindrical structure substantially perpendicular to the film surface, and the thermoelectric conversion substances are surrounded by the insulating material, and A thermoelectric conversion element with high conversion efficiency can be provided by making the direction with a temperature difference in the thermoelectric conversion element substantially parallel to the film surface of the thermoelectric conversion material.
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、本実施形態の熱電変換素子の一例を示す概略図である。この例では基板上にｐ及びｎ型の膜状熱電変換材料が複数配置された構成例を示している。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the thermoelectric conversion element of the present embodiment. This example shows a configuration example in which a plurality of p-type and n-type film thermoelectric conversion materials are arranged on a substrate.
図１において、１が基板であり、２が電極、３がｐ型熱電材料、４がｎ型熱電材料、５が熱電変換素子を示している。 In FIG. 1, 1 is a substrate, 2 is an electrode, 3 is a p-type thermoelectric material, 4 is an n-type thermoelectric material, and 5 is a thermoelectric conversion element.
この例に示したように、本実施形態の熱電変換素子を構成する熱電変換材料は膜状が好ましく、膜厚は１０μｍ以下でも可能である。また、ｐ型及びｎ型の材料が交互に直列に複数配置される構造が好ましい。 As shown in this example, the thermoelectric conversion material constituting the thermoelectric conversion element of this embodiment is preferably in the form of a film, and the film thickness can be 10 μm or less. Further, a structure in which a plurality of p-type and n-type materials are alternately arranged in series is preferable.
なお、本実施形態の熱電変換素子においては、熱電変換材料の膜面に対して、温度差がほぼ平行につくようにならなければいけない。 In the thermoelectric conversion element of this embodiment, the temperature difference must be approximately parallel to the film surface of the thermoelectric conversion material.
このような熱電変換素子においては、例えば、電極２に電流を流すことで、熱電材料の膜面に対して、ほぼ平行に温度差を与えるような素子（ペルチェ素子）を作製することができる。 In such a thermoelectric conversion element, for example, an element (Peltier element) that gives a temperature difference substantially in parallel to the film surface of the thermoelectric material can be produced by passing a current through the electrode 2.
一方、膜面に対してほぼ平行に温度差を与えることで、電力を生み出す素子（熱電発電素子）を同様な構成で作製することが可能となる。 On the other hand, by giving a temperature difference substantially parallel to the film surface, it is possible to produce an element (thermoelectric generator) that generates electric power with a similar configuration.
本実施形態の熱電変換素子は両方の場合を示している。 The thermoelectric conversion element of this embodiment shows both cases.
また、基板１を構成する材料は、絶縁性の高いガラス等が適しているが、特に絶縁性の高いものであれば、どの材料を用いてもかまわない。 The material constituting the substrate 1 is suitably a highly insulating glass or the like, but any material may be used as long as it has a particularly high insulating property.
図２は、本実施形態の熱電変換素子を構成している熱電変換材料の一例を示す概略図である。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of a thermoelectric conversion material constituting the thermoelectric conversion element of the present embodiment.
この例では数ｎｍ（ナノメートル）から数十ｎｍサイズの径をもつ熱電物質の量子細線（以下、ナノワイヤ）を基板上の細孔内（絶縁性材料内）に形成した熱電変換材料の例を示している。 In this example, an example of a thermoelectric conversion material in which quantum wires (hereinafter referred to as nanowires) of thermoelectric materials having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers are formed in pores (insulating materials) on a substrate. Show.
図２において、１２が膜状の熱電変換材料であり、１０が熱電変換材料１２を構成しているナノワイヤ化した熱電物質（以下、必要に応じ「ナノワイヤ」と呼ぶ）、１１がナノワイヤ化した熱電物質を囲んでいる、膜状の絶縁性材料（多孔体）である。 In FIG. 2, 12 is a film-shaped thermoelectric conversion material, 10 is a nanowire-formed thermoelectric material (hereinafter referred to as “nanowire” if necessary), and 11 is a nanowire-formed thermoelectric. It is a film-like insulating material (porous body) surrounding a substance.
このうち、ナノワイヤ１０は、絶縁性材料（多孔体）１１内に形成されている。 Among these, the nanowire 10 is formed in the insulating material (porous body) 11.
このナノワイヤ１０は、図２に示されているように絶縁性材料１１によって互いに分離されており、また、膜面（又は基板）に対して垂直又はほぼ垂直に形成されている。 As shown in FIG. 2, the nanowires 10 are separated from each other by an insulating material 11, and are formed perpendicular or nearly perpendicular to the film surface (or substrate).
ナノワイヤ１０の形状は、図２に示されているように柱状形状である。 The shape of the nanowire 10 is a columnar shape as shown in FIG.
また、ナノワイヤ１０の直径（膜面から見たナノワイヤ１０の平均直径を示す）は、０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、ナノワイヤ１０の平均間隔（膜面から見たナノワイヤの平均中心間距離を示す）は、５ｎｍ以上２０ｎｍ未満である。また、ナノワイヤの高さは、特に限定されるものではないが、１０μｍ以下の薄膜でもよい。 Further, the diameter of the nanowire 10 (indicating the average diameter of the nanowire 10 viewed from the film surface) is 0.5 nm or more and 15 nm or less, and the average distance between the nanowires 10 (indicating the average center-to-center distance of the nanowire viewed from the film surface) ) Is 5 nm or more and less than 20 nm. The height of the nanowire is not particularly limited, but may be a thin film of 10 μm or less.
上記熱電変換材料１２を構成している絶縁性材料１１は、第一の成分を含み構成される柱状物質が、第一の成分と共晶を形成し得る第二の成分を含み構成される部材中に分散している構造体から、前記柱状物質を除去して形成されていることが望ましい。 The insulating material 11 constituting the thermoelectric conversion material 12 is a member in which a columnar substance that includes a first component includes a second component that can form a eutectic with the first component. It is desirable that the columnar substance is removed from the structure dispersed therein.
ここで、第一の成分を含み構成される柱状物質は、例えば、アルミニウムを主成分とする材料から構成されている。 Here, the columnar substance including the first component is composed of, for example, a material mainly composed of aluminum.
また、第一の成分と共晶を形成し得る第二の成分を含み構成される部材は、例えば、ゲルマニウム、シリコン、又はゲルマニウムとシリコンの混合物からなる。 Moreover, the member comprised including the 2nd component which can form a eutectic with a 1st component consists of a mixture of germanium, silicon, or germanium and silicon, for example.
この絶縁性材料１１を構成する部材は、非晶質のシリコン（又はその酸化物）又はゲルマニウム（又はその酸化物）を主成分とすることが好ましい。 The member constituting the insulating material 11 is preferably composed mainly of amorphous silicon (or an oxide thereof) or germanium (or an oxide thereof).
また、シリコンとゲルマニウムの混合体（又はその酸化物）を主成分とすることも可能である。 It is also possible to use a mixture of silicon and germanium (or an oxide thereof) as a main component.
また、絶縁材料１１を構成する部材は、シリコン又はゲルマニウム（又はそれらの酸化物）を主成分とすることが望ましいが、数から数十ａｔｏｍｉｃ％程度のアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）などの各種の元素を含有してもよい。 The member constituting the insulating material 11 is preferably mainly composed of silicon or germanium (or oxides thereof), but aluminum (Al), oxygen (O), argon of several to several tens atomic%. Various elements such as (Ar), nitrogen (N), and hydrogen (H) may be contained.
また、絶縁材料１１を構成する部材は、非晶質であることが望ましいが、一部結晶質の部材を含んでいても問題はない。 Further, the member constituting the insulating material 11 is desirably amorphous, but there is no problem even if a partly crystalline member is included.
また、ナノワイヤ間に存在する絶縁材料１１の厚さは、もっとも短いところで少なくとも３ｎｍ以下ではなくてはならなく、好ましくは１ｎｍ以下である。 Further, the thickness of the insulating material 11 existing between the nanowires must be at least 3 nm or less at the shortest, and preferably 1 nm or less.
なお、ナノワイヤ１０を構成する材料は、典型的にＢｉＳｂやＢｉＴｅなどのＢｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅから構成される合金系結晶であるが、これに限定されるわけではなく、すでにバルクの熱電変換材料として使用されているさまざまな材料を用いることが可能である。 The material constituting the nanowire 10 is typically an alloy crystal composed of Bi, Sb, Te, Se such as BiSb or BiTe, but is not limited to this, and is already a bulk thermoelectric conversion. Various materials used as materials can be used.
なお、本実施形態の熱電変換材料においては、熱電変換材料の膜面に対して、温度差がほぼ平行につくようにならなければいけない。 In the thermoelectric conversion material of this embodiment, the temperature difference must be approximately parallel to the film surface of the thermoelectric conversion material.
［実施例］
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
[Example]
The present invention will be specifically described below with reference to examples.
（実施例１）
本実施例は、基板に対して垂直なナノワイヤ化（柱状構造体化）した熱電物質を絶縁性材料（ここでは酸化シリコン）で囲んだ熱電変換材料を複数基板上に配列した熱電変換素子（ここでは熱電変換素子）を形成する例を示す。
Example 1
In this example, a thermoelectric conversion element (here, a thermoelectric conversion material (here, silicon oxide) surrounded by a nanowire (columnar structure) perpendicular to the substrate) is arranged on a plurality of substrates. Then, an example of forming a thermoelectric conversion element) is shown.
ここでは、ｐ型熱電物質としてＳｂ２Ｔｅ３、ｎ型熱電物質としてＢｉ２Ｔｅ３を使用する例を示す。 Here, an example is shown in which Sb 2 Te 3 is used as the p-type thermoelectric material and Bi 2 Te 3 is used as the n-type thermoelectric material.
まず、犠牲層（剥離層）としてのＡｌを１０ｎｍ基板上に形成した後に、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３等を電着するための電極としてタングステンを２０ｎｍ堆積する。 First, after forming Al as a sacrificial layer (peeling layer) on a 10 nm substrate, 20 nm of tungsten is deposited as an electrode for electrodeposition of Bi 2 Te 3 or the like, which is an n-type thermoelectric material.
次に、アルミニウムとタングステンをフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いてパターンニングした後に、マグネトロンスパッタ法を用いて、アルミニウムとシリコンの全量に対してシリコンを４０ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２μｍ形成する。 Next, after patterning aluminum and tungsten using photolithography and dry etching, an aluminum silicon mixed film containing 40 atomic% of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon is formed by using a magnetron sputtering method. .
このときのタングステン電極のパターンは例えば図４（ａ）のようにする。 The pattern of the tungsten electrode at this time is, for example, as shown in FIG.
図４（ａ）においては、３１が基板、３２がｐ型熱電物質電着用タングステン電極、３３がｎ型熱電物質電着用タングステン電極である。 In FIG. 4A, 31 is a substrate, 32 is a tungsten electrode for p-type thermoelectric material electrodeposition, and 33 is a tungsten electrode for n-type thermoelectric material electrodeposition.
次に、上記のように作製したアルミニウムシリコン混合膜を５ｗｔ．％のりん酸水溶液中に２４時間浸し、アルミニウムのエッチングとシリコンの酸化を行う。 Next, 5 wt. Etching aluminum and oxidizing silicon for 24 hours in a phosphoric acid aqueous solution of 24%.
この工程により、非晶質酸化シリコンからなる多孔体を得ることができる。 By this step, a porous body made of amorphous silicon oxide can be obtained.
なお、ここで形成された多孔体の細孔の等価円直径は６ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍとなる。 The equivalent circular diameter of the pores of the porous body formed here is 6 nm, and the average interval is about 8 nm.
この結果、隣接する細孔間にある絶縁性材料（ここでは非晶質酸化シリコン）の厚さは約２ｎｍとなる。 As a result, the thickness of the insulating material (here, amorphous silicon oxide) between adjacent pores is about 2 nm.
次に、上記のように作製した酸化シリコンを主成分とした部材で構成された多孔体に対して、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３を細孔中に充填する。 Next, Bi 2 Te 3 which is an n-type thermoelectric material is filled into the pores with respect to the porous body made of a member mainly composed of silicon oxide produced as described above.
このとき、タングステン電極３３にのみ、電着電位（電圧）を印加することでタングステン電極３３の上面のみにｎ型熱電物質Ｂｉ２Ｔｅ３を電着できる。 At this time, the n-type thermoelectric substance Bi 2 Te 3 can be electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 33 by applying an electrodeposition potential (voltage) only to the tungsten electrode 33.
次に、同様に、タングステン電極３２にのみ、電圧を印加することでタングステン電極３２の上面のみにｐ型熱電物質Ｓｂ２Ｔｅ３を電着する。 Next, similarly, the p-type thermoelectric material Sb 2 Te 3 is electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 32 by applying a voltage only to the tungsten electrode 32.
その結果、図４（ｂ）のようなものが作製できる。 As a result, a product as shown in FIG.
この図において、３４はナノワイヤ化したｐ型熱電物質を充填した絶縁性材料（酸化シリコン）であり、３５はナノワイヤ化したｎ型熱電物質を充填した絶縁性材料（酸化シリコン）である。 In this figure, 34 is an insulating material (silicon oxide) filled with a nanowired p-type thermoelectric substance, and 35 is an insulating material (silicon oxide) filled with a nanowired n-type thermoelectric substance.
なお、ＦＭ−ＳＥＭからここで形成された熱電物質の平均径は６ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍとなり、その結果、トンネル伝導、あるいはホッピング伝導により隣接する熱電物質間で電流を流すことが可能となる。 The average diameter of the thermoelectric material formed here from FM-SEM is 6 nm, and the average interval is about 8 nm. As a result, current can flow between adjacent thermoelectric materials by tunnel conduction or hopping conduction. It becomes possible.
次に、このように作製した熱電材料を、接着剤を用いて絶縁性体である石英基板に張り付ける。 Next, the thermoelectric material produced in this manner is attached to a quartz substrate which is an insulating body using an adhesive.
その後、りん酸に長時間浸すことで、犠牲層であるアルミニウム層をエッチングし、熱電変換材料を石英基板上に張り付ける。 Thereafter, the aluminum layer, which is a sacrificial layer, is etched by being immersed in phosphoric acid for a long time, and a thermoelectric conversion material is pasted on the quartz substrate.
さらに、ドライエッチングでタングステン電極を除去することで、図５（ａ）のようなものが形成できる。 Further, by removing the tungsten electrode by dry etching, a structure as shown in FIG. 5A can be formed.
この図において３６は熱伝導率の低い基板（例えば、石英基板）であり、３４はナノワイヤ化したｐ型熱電物質を充填した絶縁性材料（酸化シリコン）であり、３５はナノワイヤ化したｎ型熱電物質を充填した絶縁性材料（酸化シリコン）である。 In this figure, 36 is a substrate having a low thermal conductivity (for example, a quartz substrate), 34 is an insulating material (silicon oxide) filled with a p-type thermoelectric material made into a nanowire, and 35 is an n-type thermoelectric made into a nanowire. It is an insulating material (silicon oxide) filled with a substance.
最後に、電極を図５（ｂ）のように形成することで本発明の熱電変換素子が形成される。なお、この図において３７が電極を示している。 Finally, the thermoelectric conversion element of the present invention is formed by forming the electrodes as shown in FIG. In this figure, reference numeral 37 denotes an electrode.
このような工程で作製された熱電変換素子は、熱電変換材料が薄膜形状にもかかわらず、膜面に対してほぼ平行な方向に温度差をとるため、熱流が抑えられ（低温部と高温部の距離が離れているため）、熱電発電素子においては、低温側とヒートシンクあるいは大気間の熱抵抗が高い場合においても、温度差を大きく取ることが可能となり、熱電発電素子の性能が向上する。 The thermoelectric conversion element manufactured by such a process has a temperature difference in a direction substantially parallel to the film surface regardless of the shape of the thermoelectric conversion material, so that the heat flow is suppressed (low temperature portion and high temperature portion). In the thermoelectric power generation element, even when the thermal resistance between the low temperature side and the heat sink or the atmosphere is high, a large temperature difference can be obtained, and the performance of the thermoelectric power generation element is improved.
また、隣接するナノワイヤ化した熱電物質間の絶縁性材料の厚さが薄いため、膜面方向に電流を流すことが可能となる。 In addition, since the thickness of the insulating material between adjacent nanowired thermoelectric materials is thin, it is possible to flow current in the film surface direction.
さらに、熱が流れる方向において、絶縁性材料（ここでは酸化シリコン）と熱電物質の界面が多数形成されるため、膜面にほぼ平行な方向の熱伝導率が通常の連続膜に比べて減少し、かつ、ナノワイヤ化による量子効果により、熱電性能指数Ｚが増加することが期待される。 In addition, in the direction in which heat flows, a large number of interfaces between insulating materials (here, silicon oxide) and thermoelectric materials are formed, so the thermal conductivity in the direction almost parallel to the film surface is reduced compared to a normal continuous film. In addition, the thermoelectric figure of merit Z is expected to increase due to the quantum effect due to the formation of nanowires.
次に、このように作製される熱電変換素子を図３に基づいて説明する。 Next, the thermoelectric conversion element produced in this way is demonstrated based on FIG.
図３に示す熱電変換素子は、既知のバルク状態の熱電変換素子と同様に、ペルチェ効果を利用して材料に電流を流すことによりその材料の一端で発熱、その他端で吸熱を行い冷却と加熱を同時に行う冷却器・温度制御装置等のデバイスや、その逆に材料の両端で温度差を与えることにより、起電力（熱起電力）を発生させる熱電発電機等のデバイスに適用されるものである。 The thermoelectric conversion element shown in FIG. 3 cools and heats by generating current at one end of the material and absorbing heat at the other end by passing a current through the material using the Peltier effect, similar to the known bulk thermoelectric conversion element. It is applied to devices such as coolers and temperature control devices that perform simultaneous operation, and conversely, devices such as thermoelectric generators that generate electromotive force (thermoelectromotive force) by giving a temperature difference at both ends of the material. is there.
図３において、熱電変換素子は、絶縁性２１内に形成されたｐ型の半導体材料（熱電物質）のナノワイヤ２２を有する熱電変換材料（以下、「ｐ型材料」）２３と、絶縁性２１内に形成されたｎ型の半導体材料（熱電物質）のナノワイヤ２４を有する熱電変換材料（以下、「ｎ型材料」）２５とを一対にした素子（π型素子）を多数個直列に接続してユニット化したものである（図３の例では１個のπ型素子のみ示している）。 In FIG. 3, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion material (hereinafter referred to as “p-type material”) 23 having nanowires 22 of a p-type semiconductor material (thermoelectric substance) formed in an insulating material 21, and an insulating material 21. A large number of elements (π-type elements) that are paired with a thermoelectric conversion material (hereinafter referred to as “n-type material”) 25 having nanowires 24 of n-type semiconductor material (thermoelectric material) formed in series are connected in series. These are unitized (in the example of FIG. 3, only one π-type element is shown).
なお、図３において、２７はｐ型材料２３の一端側（以下、低温側）に設けられる電極、２８はｎ型材料２５の一端側（以下、低温側）に設けられる側電極、２６は両材料２３、２５の他端側（以下、高温側）に設けられる電極を示す。 In FIG. 3, 27 is an electrode provided on one end side (hereinafter, low temperature side) of the p-type material 23, 28 is a side electrode provided on one end side (hereinafter, low temperature side) of the n-type material 25, and 26 is both The electrode provided in the other end side (henceforth high temperature side) of the materials 23 and 25 is shown.
ここで、上記熱電変換素子を、ペルチェ効果を利用したデバイスに適用する場合、両電極２７、２８間に図示しない電源を接続し、その電源からｐ型材料２３、ｎ型材料２５に電流を流す。 Here, when the thermoelectric conversion element is applied to a device using the Peltier effect, a power source (not shown) is connected between the electrodes 27 and 28, and a current flows from the power source to the p-type material 23 and the n-type material 25. .
これにより、両材料２３、２５中のナノワイヤ２２、２４を通じ電気を流すことにより、電気により熱が運ばれ、両材料２３、２５の高温側では発熱（例 加熱）され、その低温側では吸熱（例 冷却）される。例えば、電極２７、２８がある低温側にレーザー等、発熱側にヒートシンク等を設置することで、そのレーザー等のデバイスを冷却することが可能となる。 Thereby, by flowing electricity through the nanowires 22 and 24 in both the materials 23 and 25, heat is carried by electricity, and heat is generated (eg, heated) on the high temperature side of both the materials 23 and 25, and endothermic ( Eg cooled). For example, by installing a laser or the like on the low temperature side where the electrodes 27 and 28 are located, and a heat sink or the like on the heat generation side, it becomes possible to cool the device such as the laser.
一方、上記熱電変換素子を熱電発電で用いる場合、ｐ型材料２３、ｎ型材料２５の低温側を図示しない冷却源により冷却、又はその高温側を図示しない熱源により加熱、又は両方を同時に行うことにより、その両材料２３、２５の両端に温度差を与える。 On the other hand, when the thermoelectric conversion element is used for thermoelectric power generation, the low temperature side of the p-type material 23 and the n-type material 25 is cooled by a cooling source (not shown), or the high temperature side is heated by a heat source (not shown), or both are performed simultaneously. Thus, a temperature difference is given to both ends of the both materials 23 and 25.
これにより、ナノワイヤ２２、２４を通じ熱エネルギーから電気への熱電変換が行われ、両電極２７、２８間に熱起電力が発生する。 Thereby, thermoelectric conversion from thermal energy to electricity is performed through the nanowires 22 and 24, and a thermoelectromotive force is generated between the electrodes 27 and 28.
このような両方の熱電変換素子において、熱電変換材料の熱電性能指数Ｚの増加により、変換効率が従来の熱電材料よりも高くなることが期待される。 In both such thermoelectric conversion elements, the conversion efficiency is expected to be higher than that of conventional thermoelectric materials due to an increase in the thermoelectric performance index Z of the thermoelectric conversion material.
なお、本発明は、代表的に例示した上述の実施形態とその各実施例及びその適用例に限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲の記載内容に基づき、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の態様に変形、変更することができる。これらの変更例や変形例も本発明の権利範囲に属するものである。 Note that the present invention is not limited to the above-described exemplary embodiments, examples thereof, and application examples thereof, which are representatively exemplified, and those skilled in the art will understand the gist based on the contents of the claims. Various modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention. These modified examples and modified examples also belong to the scope of rights of the present invention.
（実施例２）
本実施例は、基板に対して垂直なナノワイヤ化（柱状構造体化）した熱電物質を絶縁性材料（ここでは非晶質シリコン）で囲んだ熱電変換材料を複数基板上に配列した熱電変換素子（ここでは熱電変換素子）を形成する例を示す。ここではｐ型熱電物質としてＳｂ２Ｔｅ３、ｎ型熱電物質としてＢｉ２Ｔｅ３を使用する例を示す。
(Example 2)
In this embodiment, a thermoelectric conversion element in which a thermoelectric material in which a nanowire (columnar structure) perpendicular to a substrate is surrounded by an insulating material (here, amorphous silicon) is arranged on a plurality of substrates An example of forming a thermoelectric conversion element here is shown. Here, an example is shown in which Sb 2 Te 3 is used as the p-type thermoelectric material and Bi 2 Te 3 is used as the n-type thermoelectric material.
まず、犠牲層としてのＡｌを１０ｎｍ基板上に形成した後に、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３を電着する為の電極としてタングステンを２０ｎｍ堆積する。 First, after forming Al as a sacrificial layer on a 10 nm substrate, 20 nm of tungsten is deposited as an electrode for electrodepositing Bi 2 Te 3 which is an n-type thermoelectric material.
次に、タングステンをフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いてパターンニングした後に、マグネトロンスパッタ法を用いて、アルミニウムとシリコンの全量に対してシリコンを４０ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２μｍ形成する。 Next, after patterning tungsten using photolithography and dry etching, an aluminum silicon mixed film containing 40 atomic% of silicon with respect to the total amount of aluminum and silicon is formed by using a magnetron sputtering method.
このときのタングステン電極のパターンは図４（ａ）のようにすることが好ましい。 The tungsten electrode pattern at this time is preferably as shown in FIG.
図４においては、３１がＡｌを条件に形成された基板、３２がｐ型熱電物質電着用タングステン電極、３３がｎ型熱電物質電着用タングステン電極である。 In FIG. 4, 31 is a substrate formed on the condition of Al, 32 is a tungsten electrode for p-type thermoelectric material electrodeposition, and 33 is a tungsten electrode for n-type thermoelectric material electrodeposition.
次に、上記のように作製したアルミニウムシリコン混合膜を９８％の濃硫酸溶液中に７２時間浸し、アルミニウムのエッチングを行う。 Next, the aluminum silicon mixed film produced as described above is immersed in a 98% concentrated sulfuric acid solution for 72 hours to etch aluminum.
この工程により、非晶質シリコンからなる多孔体を得ることができる。なお、ここで形成された多孔体の細孔の孔径は６ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍとなる。 By this step, a porous body made of amorphous silicon can be obtained. The pore diameter of the porous body formed here is 6 nm, and the average interval is about 8 nm.
この結果、隣接する熱電物質間にある絶縁性材料である非晶質シリコンの厚さは約２ｎｍとなる。 As a result, the thickness of amorphous silicon, which is an insulating material between adjacent thermoelectric materials, is about 2 nm.
次に、上記のように作製した非晶質シリコンを主成分とした部材で構成された多孔体に対して、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３を細孔中に充填する。 Next, Bi 2 Te 3 that is an n-type thermoelectric material is filled into the pores of the porous body made of a member mainly composed of amorphous silicon produced as described above.
このとき、タングステン電極３３にのみ、電圧を印加することでタングステン電極３３の上面のみにｎ型熱電物質Ｂｉ２Ｔｅ３を電着できる。 At this time, the n-type thermoelectric material Bi 2 Te 3 can be electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 33 by applying a voltage only to the tungsten electrode 33.
次に、同様に、タングステン電極３２にのみ、電圧を印加することでタングステン電極３２の上面のみにｐ型熱電物質Ｓｂ２Ｔｅ３を電着する。 Next, similarly, the p-type thermoelectric material Sb 2 Te 3 is electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 32 by applying a voltage only to the tungsten electrode 32.
その結果、図４（ｂ）のようなものが作製できる。この図において、３４はナノワイヤ化したｐ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質シリコン）であり、３５はナノワイヤ化したｎ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質シリコン）である。 As a result, a product as shown in FIG. In this figure, 34 is an insulating material (amorphous silicon) filled with nanowired p-type thermoelectric material, and 35 is an insulating material (amorphous silicon) filled with nanowired n-type thermoelectric material. is there.
次に、このように作製した熱電材料を接着剤で石英基板に張り付け、りん酸に長時間浸すことで、犠牲層であるアルミニウム層がエッチングされ、熱電変換材料が石英基板上に張り付けられる。 Next, the thermoelectric material produced in this manner is attached to a quartz substrate with an adhesive and immersed in phosphoric acid for a long time, whereby the aluminum layer which is a sacrificial layer is etched, and the thermoelectric conversion material is attached to the quartz substrate.
さらに、ドライエッチングでタングステン電極を除去することで、図５（ａ）のようなものが形成できる。 Further, by removing the tungsten electrode by dry etching, a structure as shown in FIG. 5A can be formed.
この図において３６は熱伝導率の低い基板（例えば、石英基板）である。 In this figure, reference numeral 36 denotes a substrate having a low thermal conductivity (for example, a quartz substrate).
最後に、電極を図５（ｂ）のように形成することで本発明の熱電変換素子が形成される。なお、この図において３７が電極を示している。 Finally, the thermoelectric conversion element of the present invention is formed by forming the electrodes as shown in FIG. In this figure, reference numeral 37 denotes an electrode.
このような工程で作製された熱電変換素子は、熱電変換材料が薄膜形状にもかかわらず、膜面に対してほぼ平行な方向に温度差をとるため、熱流が抑えられ（低温部と高温部の距離が離れているため）、熱電冷却素子（ペルチェ素子）においては、発熱側とヒートシンクあるいは大気間の熱抵抗が高い場合においても、温度差を大きく取ることが可能となり、冷却特性を向上させることができる。 The thermoelectric conversion element manufactured by such a process has a temperature difference in a direction substantially parallel to the film surface regardless of the shape of the thermoelectric conversion material, so that the heat flow is suppressed (low temperature portion and high temperature portion). In the thermoelectric cooling element (Peltier element), even when the heat resistance between the heat generation side and the heat sink or the atmosphere is high, a large temperature difference can be taken, and the cooling characteristics are improved. be able to.
また、隣接するナノワイヤ化した熱電物質間の絶縁性材料の厚さが薄いため、膜面方向に電流を流すことが可能となる。 In addition, since the thickness of the insulating material between adjacent nanowired thermoelectric materials is thin, it is possible to flow current in the film surface direction.
さらに、熱が流れる方向において、絶縁性材料（ここでは酸化シリコン）と熱電物質の界面が多数形成されるため、膜面にほぼ平行な方向の熱伝導率が通常の連続膜に比べて減少し、かつ、ナノワイヤ化による量子効果により、熱電性能指数Ｚが増加することが期待される。 In addition, in the direction in which heat flows, a large number of interfaces between insulating materials (here, silicon oxide) and thermoelectric materials are formed, so the thermal conductivity in the direction almost parallel to the film surface is reduced compared to a normal continuous film. In addition, the thermoelectric figure of merit Z is expected to increase due to the quantum effect due to the formation of nanowires.
（実施例３）
本実施例は、基板に対して垂直なナノワイヤ化（柱状構造体化）した熱電物質を絶縁性材料（ここでは非晶質ゲルマニウム）で囲んだ熱電変換材料を複数基板上に配列した熱電変換素子（ここでは熱電変換素子）を形成する例を示す。
(Example 3)
In this example, a thermoelectric conversion element in which thermoelectric conversion materials in which a thermoelectric material perpendicular to the substrate (columnar structure) is surrounded by an insulating material (here, amorphous germanium) is arranged on a plurality of substrates An example of forming a thermoelectric conversion element here is shown.
ここではｐ型熱電物質としてＳｂ２Ｔｅ３、ｎ型熱電物質としてＢｉ２Ｔｅ３を使用する例を示す。 Here, an example is shown in which Sb 2 Te 3 is used as the p-type thermoelectric material and Bi 2 Te 3 is used as the n-type thermoelectric material.
まず、犠牲層としてのＡｌを１０ｎｍ基板上に形成した後に、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３を電着する為の電極としてタングステンを２０ｎｍ堆積する。 First, after forming Al as a sacrificial layer on a 10 nm substrate, 20 nm of tungsten is deposited as an electrode for electrodepositing Bi 2 Te 3 which is an n-type thermoelectric material.
次に、タングステンをフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いてパターンニングした後に、マグネトロンスパッタ法を用いて、アルミニウムとゲルマニウムの全量に対してシリコンを４０ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約２μｍ形成する。 Next, after patterning tungsten using photolithography and dry etching, an aluminum germanium mixed film containing 40 atomic% of silicon with respect to the total amount of aluminum and germanium is formed by using a magnetron sputtering method.
このときのタングステン電極のパターンは図４（ａ）のようにすることが好ましい。 The tungsten electrode pattern at this time is preferably as shown in FIG.
図４においては、３１がＡｌを条件に形成された基板、３２がｐ型熱電物質電着用タングステン電極、３３がｎ型熱電物質電着用タングステン電極である。次に、上記のように作製したアルミニウムゲルマニウム混合膜を９８％の濃硫酸溶液中に７２時間浸し、アルミニウムのエッチングを行う。 In FIG. 4, 31 is a substrate formed on the condition of Al, 32 is a tungsten electrode for p-type thermoelectric material electrodeposition, and 33 is a tungsten electrode for n-type thermoelectric material electrodeposition. Next, the aluminum germanium mixed film produced as described above is immersed in a 98% concentrated sulfuric acid solution for 72 hours to etch aluminum.
この工程により、非晶質ゲルマニウムからなる多孔体を得ることができる。なお、ここで形成された多孔体の細孔の孔径は１０ｎｍであり、その平均間隔は約１２ｎｍとなる。この結果、隣接する熱電物質間にある絶縁性材料の厚さは約２ｎｍとなる。 By this step, a porous body made of amorphous germanium can be obtained. The pore diameter of the porous body formed here is 10 nm, and the average interval is about 12 nm. As a result, the thickness of the insulating material between adjacent thermoelectric materials is about 2 nm.
次に、上記のように作製した非晶質ゲルマニウムを主成分とした部材で構成された多孔体に対して、ｎ型熱電物質であるＢｉ２Ｔｅ３を細孔中に充填する。 Next, Bi 2 Te 3 which is an n-type thermoelectric material is filled into the pores of the porous body made of the material mainly composed of amorphous germanium prepared as described above.
このとき、タングステン電極３３にのみ、電圧を印加することでタングステン電極３３の上面のみにｎ型熱電物質Ｂｉ２Ｔｅ３を電着できる。 At this time, the n-type thermoelectric material Bi 2 Te 3 can be electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 33 by applying a voltage only to the tungsten electrode 33.
次に、同様に、タングステン電極３２にのみ、電圧を印加することでタングステン電極３２の上面のみにｐ型熱電物質Ｓｂ２Ｔｅ３を電着する。 Next, similarly, the p-type thermoelectric material Sb 2 Te 3 is electrodeposited only on the upper surface of the tungsten electrode 32 by applying a voltage only to the tungsten electrode 32.
その結果、図４（ｂ）のようなものが作製できる。この図において、３４はナノワイヤ化したｐ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質ゲルマニウム）であり、３５はナノワイヤ化したｎ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質ゲルマニウム）である。 As a result, a product as shown in FIG. In this figure, 34 is an insulating material (amorphous germanium) filled with a nanowired p-type thermoelectric material, and 35 is an insulating material (amorphous germanium) filled with a nanowired n-type thermoelectric material. is there.
次に、このように作製した熱電変換材料を接着剤で石英基板に張り付け、りん酸に長時間浸すことで、犠牲層であるアルミニウム層がエッチングされ、熱電材料が石英基板上に張り付けられる。 Next, the thermoelectric conversion material produced in this manner is attached to a quartz substrate with an adhesive and immersed in phosphoric acid for a long time, whereby the aluminum layer, which is a sacrificial layer, is etched, and the thermoelectric material is attached to the quartz substrate.
さらに、ドライエッチングでタングステン電極を除去することで、図５（ａ）のようなものが形成できる。 Further, by removing the tungsten electrode by dry etching, a structure as shown in FIG. 5A can be formed.
この図において、３４はナノワイヤ化したｐ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質ゲルマニウム）であり、３５はナノワイヤ化したｎ型熱電物質を充填した絶縁性材料（非晶質ゲルマニウム）である。 In this figure, 34 is an insulating material (amorphous germanium) filled with a nanowired p-type thermoelectric material, and 35 is an insulating material (amorphous germanium) filled with a nanowired n-type thermoelectric material. is there.
なお、ここで形成された熱電物質の平均径は１０ｎｍであり、その平均間隔は約１２ｎｍとなり、その結果、トンネル効果により隣接する熱電物質間で電流を流すことが可能となる。 The average diameter of the thermoelectric material formed here is 10 nm, and the average interval is about 12 nm. As a result, a current can flow between adjacent thermoelectric materials due to the tunnel effect.
このような工程で作製された熱電変換素子は、熱電変換材料が薄膜形状にもかかわらず、膜面に対してほぼ平行な方向に温度差をとるため、熱流が抑えられ（低温部と高温部の距離が離れているため）、熱電発電素子においては、低温側とヒートシンクあるいは大気間の熱抵抗が高い場合においても、温度差を大きく取ることが可能となり、発電効率を上げることができる。 The thermoelectric conversion element manufactured by such a process has a temperature difference in a direction substantially parallel to the film surface regardless of the shape of the thermoelectric conversion material, so that the heat flow is suppressed (low temperature portion and high temperature portion). Therefore, in the thermoelectric power generation element, even when the thermal resistance between the low temperature side and the heat sink or the atmosphere is high, a large temperature difference can be obtained, and the power generation efficiency can be increased.
また、隣接するナノワイヤ化した熱電物質間の絶縁性材料の厚さが薄いため、膜面方向に電流を流すことが可能となる。 In addition, since the thickness of the insulating material between adjacent nanowired thermoelectric materials is thin, it is possible to flow current in the film surface direction.
さらに、熱が流れる方向において、絶縁性材料（ここでは酸化シリコン）と熱電物質の界面が多数形成されるため、膜面にほぼ平行な方向の熱伝導率が通常の連続膜に比べて減少し、かつ、ナノワイヤ化による量子効果により、熱電性能指数Ｚが増加することが期待される。 In addition, in the direction in which heat flows, a large number of interfaces between insulating materials (here, silicon oxide) and thermoelectric materials are formed, so the thermal conductivity in the direction almost parallel to the film surface is reduced compared to a normal continuous film. In addition, the thermoelectric figure of merit Z is expected to increase due to the quantum effect due to the formation of nanowires.
１、３１、３６ 基板
２、２６、２７、３２、３３、３７ 電極
３、２３、３４ ｐ型熱電変換材料
４、２５、３５ ｎ型熱電変換材料
５ 熱電変換素子
１１、２１ 絶縁材料（多孔質膜）
１２ 熱電変換材料
１３ 熱電物質
２２ ｐ型熱電物質
２４ ｎ型熱電物質
1, 31, 36 Substrate 2, 26, 27, 32, 33, 37 Electrode 3, 23, 34 P-type thermoelectric conversion material 4, 25, 35 N-type thermoelectric conversion material 5 Thermoelectric conversion element 11, 21 Insulating material (porous) film)
12 Thermoelectric conversion material 13 Thermoelectric material 22 p-type thermoelectric material 24 n-type thermoelectric material
Claims (7)
前記柱状構造体は前記膜の膜面に対してほぼ垂直に形成されており、かつ、当該熱電変換材料における温度分布が前記膜面に対してほぼ平行であることを特徴とする熱電変換素子。 A columnar structure made of a thermoelectric conversion material is a thermoelectric conversion element using a film surrounded by an insulating material,
The columnar structure is formed substantially perpendicular to the film surface of the film, and the temperature distribution in the thermoelectric conversion material is substantially parallel to the film surface.
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