JP2007281070A - Thermoelectric transducer, and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric transducer composed by surely forming nano-size wires, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: A glass template 21 composed by forming a large number of through-holes 22 is prepared (Fig.2(a)). Bismuth as a thermoelectric conversion material is filled into a large number of the through-holes 22 (Fig.2(b)). After heating the glass template 21 over a temperature of softening the glass template 21 and to a temperature over a melting point of the bismuth, the glass template 21 is stretched in an axial direction of the through-holes 22 so as to form nanowires 10 inside the glass template 21 (Fig.2(c), (d)). Then, the stretched glass template 21 is cut into a chip 23 shape (Fig.2(e)). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、2電極間の温度差を起電力に変換する熱電変換素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element that converts a temperature difference between two electrodes into an electromotive force, and a manufacturing method thereof.

一般に、熱電変換素子は、半導体の両端に温度差を生じさせることで電気を発生させるゼーベック効果を利用したものとして知られている。このような熱電変換素子の構造は、例えば2枚の電極プレート間に複数の熱電変換材料が接続されたものになっている。   In general, thermoelectric conversion elements are known to utilize the Seebeck effect that generates electricity by causing a temperature difference between both ends of a semiconductor. Such a thermoelectric conversion element has a structure in which, for example, a plurality of thermoelectric conversion materials are connected between two electrode plates.

上記熱電変換素子の性能は、熱電変換の性能指数Zとして求めることができる。すなわち、熱電変換の性能指数Zは、Z=Sσ/κで表される。Sは熱電変換材料のゼーベック係数、σは熱電変換材料の電気伝導率、κは熱電変換材料の熱伝導率である。また、ゼーベック係数Sは近似的に、S=π T[∂D(ε)/∂ε]/3eD(ε)で表される。kはボルツマン定数、D(ε)は熱電変換材料の状態密度、eは素電荷である。εはエネルギーであり、εはフェルミエネルギーである。 The performance of the thermoelectric conversion element can be obtained as a performance index Z of thermoelectric conversion. That is, the figure of merit Z of thermoelectric conversion is represented by Z = S 2 σ / κ. S is the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, σ is the electrical conductivity of the thermoelectric conversion material, and κ is the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material. The Seebeck coefficient S is approximately represented by S = π 2 k B 2 T [TD (ε) / ∂ε] / 3eD (ε F ). k B is the Boltzmann constant, D (ε) is the density of states of the thermoelectric conversion material, and e is the elementary charge. ε is energy, and ε F is Fermi energy.

上記ゼーベック係数Sは、フェルミエネルギー近傍の状態密度の変化(∂D(ε=ε)/∂ε)が急峻であるほど大きな値となる。また、ゼーベック係数Sの値が大きいほど、熱電変換の性能指数Zの値も大きくなる。一方、熱電変換材料をナノスケールのワイヤ形状にすることで状態密度に量子効果を発現させ、急峻な状態密度を実現できることが知られている。これにより、ゼーベック係数S、ひいては熱電変換の性能指数Zを高めることができると考えられる。 The Seebeck coefficient S increases as the change in state density near Fermi energy (ミ D (ε = ε F ) / ∂ε) becomes steeper. Moreover, the value of the figure of merit Z of thermoelectric conversion becomes large, so that the value of Seebeck coefficient S is large. On the other hand, it is known that a quantum effect can be expressed in the density of states by making the thermoelectric conversion material into a nanoscale wire shape, and a steep density of states can be realized. Thereby, it is thought that Seebeck coefficient S and by extension, the figure of merit Z of thermoelectric conversion can be increased.

そこで、量子効果を発現させるため、ナノスケールのワイヤであるナノワイヤを作製する試みが発表されている(例えば、非特許文献1参照)。図6は、従来のナノワイヤ作製の様子を示した図である。   Then, in order to express a quantum effect, the trial which produces nanowire which is a nanoscale wire has been announced (for example, refer nonpatent literature 1). FIG. 6 is a diagram showing a state of manufacturing a conventional nanowire.

まず、図示しない加圧槽にヒータJ1が備えられた炉J2を用意し、この炉J2の中に液状Bi(ビスマス)の熱電材料J3を入れる。そして、ナノサイズ(4〜15nm)の孔が形成された厚さ数十μmの陽極酸化アルミナ層J4が設置された基板J5を、陽極酸化アルミナ層J4が炉J2側に向くように炉J2に設置する。   First, a furnace J2 provided with a heater J1 in a pressure tank (not shown) is prepared, and a liquid Bi (bismuth) thermoelectric material J3 is placed in the furnace J2. Then, the substrate J5 on which the anodized alumina layer J4 having a thickness of several tens of micrometers in which nano-sized (4 to 15 nm) holes are formed is placed in the furnace J2 so that the anodized alumina layer J4 faces the furnace J2 side. Install.

この後、ヒータJ1で炉J2を加熱して炉J2内に熱電材料J3の蒸気を発生させると共に、陽極酸化アルミナ層J4の下部(炉J2側;温度T1)と上部(基板J5側;温度T2)とに温度差を生じさせ、下部が高温となる条件(T1>T2)で順次、温度を低下させる。これにより、熱電材料J3の蒸気が陽極酸化アルミナ層J4の孔から基板J5側に向けて順次、凝縮・析出し、Biのナノワイヤが陽極酸化アルミナ層J4の孔の中に形成される。
Joseph P. Heremans、“Thermoelectric power, electrical and thermal resistance, and magnetoresistance of nanowire composites.” Mat. Res. Soc. Symp. Pros.、Vol. 793、S1.1.1-S1.1.12
Thereafter, the furnace J2 is heated by the heater J1 to generate steam of the thermoelectric material J3 in the furnace J2, and the lower part (furnace J2 side; temperature T1) and upper part (substrate J5 side; temperature T2) of the anodized alumina layer J4. ) And a temperature difference is successively generated under the condition (T1> T2) in which the lower portion is at a high temperature. Thereby, the vapor | steam of the thermoelectric material J3 is condensed and deposited sequentially toward the board | substrate J5 side from the hole of the anodized alumina layer J4, and Bi nanowire is formed in the hole of the anodized alumina layer J4.
Joseph P. Heremans, “Thermoelectric power, electrical and thermal resistance, and magnetoresistance of nanowire composites.” Mat. Res. Soc. Symp. Pros., Vol. 793, S1.1.1-S1.1.12

しかしながら、上記従来の技術では、陽極酸化アルミナ層J4に形成された孔のサイズがナノサイズであるので、蒸発したBiがこの孔に進入しない可能性がある。このため、陽極酸化アルミナ層J4に形成された多数の孔のうち、陽極酸化アルミナ層J4を貫通するナノワイヤが形成される数が極めて少なく、歩留まりが低下してしまう。   However, in the above conventional technique, since the size of the hole formed in the anodized alumina layer J4 is nano-sized, the evaporated Bi may not enter this hole. For this reason, among the many holes formed in the anodized alumina layer J4, the number of nanowires penetrating the anodized alumina layer J4 is extremely small, and the yield is lowered.

なお、各ワイヤの両端に電極を設置して熱電変換素子を形成しても、ワイヤの数が少ないため、両電極間の抵抗が高くなってしまう。   Even if electrodes are provided at both ends of each wire to form a thermoelectric conversion element, the resistance between the two electrodes is increased because the number of wires is small.

また、上記陽極酸化アルミナ層J4の厚みは数十μmであるため、形成されるワイヤの長さも数十μmとなる。このため、ナノワイヤの両端に設置される2電極間の温度差が得られず、熱電変換素子として電気を発生させられない可能性がある。さらに、ナノワイヤの母材となる陽極酸化アルミナ層J4の熱伝導率が良いため、熱の大部分は熱電変換能力を持たない陽極酸化アルミナ層J4を通過してしまい、熱損失を生じさせて熱電変換素子の性能を下げてしまう。   Moreover, since the thickness of the anodized alumina layer J4 is several tens of micrometers, the length of the formed wire is several tens of micrometers. For this reason, the temperature difference between the two electrodes installed at both ends of the nanowire cannot be obtained, and electricity may not be generated as the thermoelectric conversion element. Furthermore, since the thermal conductivity of the anodized alumina layer J4 that is the base material of the nanowire is good, most of the heat passes through the anodized alumina layer J4 that does not have thermoelectric conversion capability, causing heat loss and thermoelectricity. The performance of the conversion element is lowered.

なお、Si基板上にAlとSi(あるいはGe)の混合膜をスパッタ成膜し、Alナノ柱を形成した後、濃硫酸でAlナノ柱をエッチングして多孔体を形成し、電着にて多孔体にBiTeを充填する方法が報告されている(特開2004−193526号公報)。しかしながら、この電着によってワイヤを形成する方法においても、上記と同様に、歩留まり良くワイヤを形成できない、薄膜の母材(混合膜)でしかワイヤを形成できない、そして母材の熱伝導率が高い、という問題がある。 A mixed film of Al and Si (or Ge) is sputtered on a Si substrate to form Al nanopillars, and then a porous body is formed by etching Al nanopillars with concentrated sulfuric acid. A method of filling a porous body with Bi 2 Te 3 has been reported (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-193526). However, in this method of forming a wire by electrodeposition, the wire cannot be formed with a good yield as in the above, the wire can be formed only with a thin film base material (mixed film), and the base material has a high thermal conductivity. There is a problem.

本発明は、上記点に鑑み、ナノサイズのワイヤを確実に形成してなる熱電変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the thermoelectric conversion element which forms a nanosize wire reliably, and its manufacturing method in view of the said point.

上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴では、多数の貫通孔(22)が形成されてなるガラスの母材(21)を用意し(図2(a))、多数の貫通孔に熱電変換材を充填する(図2(b))。そして、母材が軟化する温度以上、かつ、熱電変換材の融点以上の温度に母材を加熱した後、母材を貫通孔の軸方向に引き伸ばすことで、母材の中にナノワイヤ(10)を形成する(図2(c)、(d))。この後、引き伸ばした母材をチップ(23)状に切断する(図2(e))。   In order to achieve the above object, according to the first feature of the present invention, a glass base material (21) in which a large number of through holes (22) are formed is prepared (FIG. 2 (a)). Is filled with a thermoelectric conversion material (FIG. 2B). And after heating a preform | base_material to the temperature more than the temperature which a preform | base_material softens and more than melting | fusing point of a thermoelectric conversion material, by extending a preform | base_material in the axial direction of a through-hole, nanowire (10) in a preform | base_material. (FIGS. 2C and 2D). Thereafter, the stretched base material is cut into chips (23) (FIG. 2 (e)).

このようにすれば、ガラスの母材に設けられた多数の貫通孔の中に熱電変換材を充填して引き伸ばしているので、母材の中に確実にワイヤを形成することができる。さらに、母材を引き伸ばすだけで自発的にナノワイヤを形成することができるため、ナノワイヤを歩留まり良く、確実に形成することができる。そして、引き伸ばす母材の長さを制御することで、ナノワイヤの径を制御することができる。   In this way, since the thermoelectric conversion material is filled and stretched in a large number of through holes provided in the glass base material, the wire can be reliably formed in the base material. Furthermore, since the nanowire can be spontaneously formed simply by stretching the base material, the nanowire can be reliably formed with a high yield. And the diameter of a nanowire is controllable by controlling the length of the base material to extend.

また、母材として熱伝導率が低いガラス(約1W/mK)を用いているため、母材を通した熱損失による性能低下を抑制することができる。さらに、引き伸ばした母材をチップにする際、切断する長さを自由に決めることができるので、例えばmmオーダの長さのチップを容易に形成することができる。   In addition, since glass having a low thermal conductivity (about 1 W / mK) is used as the base material, it is possible to suppress performance degradation due to heat loss through the base material. Furthermore, when the stretched base material is used as a chip, the length to be cut can be freely determined, so that a chip having a length of, for example, mm order can be easily formed.

上記のようにして母材の中にナノワイヤを形成する際、母材のうち貫通孔から熱電変換材が露出する面とその面とは反対側の面にそれぞれ固定部材(51、52)を固定し、固定部材に引っ張り部材(61、62)を固定する。そして、母材が軟化する温度以上、かつ、熱電変換材の融点以上に母材を加熱した後、引っ張り部材を移動させて母材を引き伸ばす。   When the nanowire is formed in the base material as described above, the fixing members (51, 52) are fixed to the surface of the base material where the thermoelectric conversion material is exposed from the through hole and the surface opposite to the surface. Then, the tension members (61, 62) are fixed to the fixing member. And after heating a base material more than the temperature which a base material softens and more than melting | fusing point of a thermoelectric conversion material, a tension | pulling member is moved and a base material is extended.

このようにして、母材を引き伸ばすことで、固定部材が変形することで母材において熱電変換材を含有した部位を直線状に引き伸ばすことができる。また、母材のうち熱電変換材が充填された貫通孔を固定部材で密封しているので、母材を加熱したときに熱電変換材の蒸散を防止することができる。   Thus, by extending the base material, the portion containing the thermoelectric conversion material in the base material can be linearly extended by the deformation of the fixing member. Moreover, since the through-hole filled with the thermoelectric conversion material among the base materials is sealed with the fixing member, the transpiration of the thermoelectric conversion materials can be prevented when the base material is heated.

また、固定部材を固定する際、固定部材として、母材と同一材質のものを用いることが好ましい。   Further, when fixing the fixing member, it is preferable to use the same material as the base material as the fixing member.

このようにすれば、母材を引き伸ばす際、母材および固定部材は同じ熱膨張率で伸びるので、固定部材のみ引き伸ばされることを防止でき、母材を確実に引き伸ばすことができる。   In this way, when the base material is stretched, the base material and the fixing member are stretched at the same coefficient of thermal expansion, so that only the fixing member can be prevented from being stretched, and the base material can be reliably stretched.

そして、母材をチップ状に切断した後、チップにおいてナノワイヤの端面が露出する両端面に電極(31、32)を形成することができる。   Then, after the base material is cut into chips, electrodes (31, 32) can be formed on both end faces of the chip where the end faces of the nanowires are exposed.

このように、チップに電極を形成することで、この熱電変換素子を例えば半導体素子に容易に接続することができるようになる。   Thus, by forming the electrode on the chip, the thermoelectric conversion element can be easily connected to, for example, a semiconductor element.

また、上記電極を形成した後、チップを熱電変換材の溶融温度以上、かつ、母材が軟化する温度以下まで加熱してその後徐冷する。   Moreover, after forming the said electrode, a chip | tip is heated to below the melting temperature of a thermoelectric conversion material, and below the temperature which a base material softens, and it cools slowly after that.

このようにして、チップをアニール処理することにより、母材中の熱電変換材の結晶性を向上させることができ、ひいては熱電変換素子の特性を高めることができる。   In this way, by annealing the chip, the crystallinity of the thermoelectric conversion material in the base material can be improved, and thus the characteristics of the thermoelectric conversion element can be improved.

さらに、母材を引き伸ばした後、母材を貫通孔の軸方向に対して垂直に切断した断面が四角形状となるように、引き伸ばした後の母材の側面に成型部材(91〜94)を押し当てて成型することもできる。   Further, after the base material is stretched, the molding members (91 to 94) are formed on the side surfaces of the base material after the base material is stretched so that a cross section obtained by cutting the base material perpendicularly to the axial direction of the through hole becomes a square shape. It can also be molded by pressing.

このようにして、チップの断面が四角形状のものを形成することができる。このような成型によって、チップを横方向に多数並べてモジュールを作成する場合、断面が円形のチップよりも四角形のものの方がチップを高密度に配置することができ、熱電変換素子のモジュールとしての単位面積当たりのパワーを向上させることができる。   In this way, a chip having a square cross section can be formed. When a module is formed by arranging a large number of chips in the horizontal direction by such molding, a chip having a square shape can be arranged at a higher density than a chip having a circular cross section, and a unit as a module of a thermoelectric conversion element The power per area can be improved.

また、チップにおいてナノワイヤの端面が露出する両端面を溶解させるエッチング処理を行うこともできる。   Moreover, the etching process which melt | dissolves the both end surfaces which the end surface of nanowire exposes in a chip | tip can also be performed.

これにより、チップの両端部からナノワイヤを露出させることができるので、このようにナノワイヤの端部が露出したチップに電極を形成すると、電極とナノワイヤとを確実に電気的に接続することができる。   Thereby, since the nanowire can be exposed from both ends of the chip, when the electrode is formed on the chip where the end of the nanowire is exposed in this way, the electrode and the nanowire can be reliably electrically connected.

さらに、加圧槽(40)内に加熱槽(41)を設置し、雰囲気圧力を大気圧から低下させた状態で加熱槽の中で熱電変換材を溶融させて融液(43)を用意する。続いて、多数の貫通孔が形成された母材を、多数の貫通孔が融液に覆われるように融液中に浸す。この後、加圧槽内を大気圧に戻すと共に、当該加圧槽内に不活性ガスを導入して加圧槽内を加圧状態とし、母材に形成された多数の貫通孔の中に融液を充填する。   Furthermore, a heating tank (41) is installed in the pressurizing tank (40), and a melt (43) is prepared by melting the thermoelectric conversion material in the heating tank in a state where the atmospheric pressure is reduced from the atmospheric pressure. . Subsequently, the base material in which a large number of through holes are formed is immersed in the melt so that the large number of through holes are covered with the melt. Thereafter, the inside of the pressurization tank is returned to the atmospheric pressure, and an inert gas is introduced into the pressurization tank so that the inside of the pressurization tank is in a pressurized state, and a large number of through holes formed in the base material are inserted. Fill with melt.

このような方法により、圧力によって融液を孔の中に押し込むことができる。このようにして、母材に形成された多数の孔の中に熱電変換材を充填することができる。   By such a method, the melt can be pushed into the hole by pressure. In this way, the thermoelectric conversion material can be filled into a large number of holes formed in the base material.

本発明の第2の特徴では、柱形状のガラス部材(20)の内部に多数のナノワイヤ(10)を有し、このナノワイヤの両端に電極を設けて電極間の温度差を起電力に変換する熱電変換素子であって、ナノワイヤの径は、このナノワイヤを構成する材料がバルクとして有するゼーベック係数よりも高いゼーベック係数が量子効果によって発現する径になっている。   In the second feature of the present invention, a large number of nanowires (10) are provided in a columnar glass member (20), and electrodes are provided at both ends of the nanowire to convert a temperature difference between the electrodes into an electromotive force. It is a thermoelectric conversion element, Comprising: The diameter of nanowire is a diameter which the Seebeck coefficient higher than the Seebeck coefficient which the material which comprises this nanowire has as a bulk expresses by a quantum effect.

このように、低熱伝導率であるガラス部材に多数のナノワイヤを固定し、ナノワイヤの両端にそれぞれ電極を設け、ナノワイヤの径を量子効果が発現する径とすることで熱電変換素子として高い性能指数を実現できる。   In this way, a large number of nanowires are fixed to a glass member having a low thermal conductivity, electrodes are provided on both ends of the nanowires, and the diameter of the nanowires is set to a diameter that produces a quantum effect, thereby providing a high performance index as a thermoelectric conversion element. realizable.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される熱電変換素子は、2電極間に温度差を生じさせることで電気を発生させるゼーベック効果を利用した素子として用いられるものである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The thermoelectric conversion element shown in this embodiment is used as an element utilizing the Seebeck effect that generates electricity by generating a temperature difference between two electrodes.

図1は、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の概略斜視図である。図1に示されるように、熱電変換素子S1は、ナノワイヤ10と、ガラス部材20と、電極31、32と、を備えて構成されている。   FIG. 1 is a schematic perspective view of a thermoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion element S <b> 1 includes a nanowire 10, a glass member 20, and electrodes 31 and 32.

ナノワイヤ10は、各電極31、32を電気的に接続する配線であり、熱電変換材として例えばBi(ビスマス)を含む金属で構成される。本実施形態では、熱電変換材としてBiにTe(テルル)を数%ドープした合金が用いられている。このようにBiにキャリアとして機能するTeをドープすることにより、ナノワイヤ10の熱電変換特性を調整することができる。このようなナノワイヤ10の径は例えば10nmになっており、長さは1mmである。   The nanowire 10 is a wiring that electrically connects the electrodes 31 and 32, and is made of a metal containing, for example, Bi (bismuth) as a thermoelectric conversion material. In this embodiment, an alloy in which Te (tellurium) is doped to Bi by several percent is used as a thermoelectric conversion material. In this way, by doping Te that functions as a carrier into Bi, the thermoelectric conversion characteristics of the nanowire 10 can be adjusted. Such a nanowire 10 has a diameter of, for example, 10 nm and a length of 1 mm.

なお、Biを含む金属とは、上記のようにBiを含有した合金を指すだけでなく、Bi単体で構成される金属も指す。また、以下でBiというときには、BiにTeがドープされたものを指す。   In addition, the metal containing Bi indicates not only an alloy containing Bi as described above but also a metal composed of Bi alone. In the following description, Bi refers to Bi doped with Te.

ガラス部材20は、熱電変換素子S1の外形をなすものであり、多数のナノワイヤ10を内部に固定するものである。このようなガラス部材20は円柱形状になっており、ガラスで構成されている。また、ガラス部材20の熱伝導率は約1W/mKであり、ガラス部材20の径は例えば1mmである。上記ガラス部材20のうちナノワイヤ10の軸方向の断面において、ガラス部材20とナノワイヤ10との断面積比は例えば30%になっている。   The glass member 20 forms the outer shape of the thermoelectric conversion element S1, and fixes a large number of nanowires 10 therein. Such a glass member 20 has a cylindrical shape and is made of glass. Moreover, the thermal conductivity of the glass member 20 is about 1 W / mK, and the diameter of the glass member 20 is 1 mm, for example. In the cross section of the glass member 20 in the axial direction of the nanowire 10, the cross-sectional area ratio between the glass member 20 and the nanowire 10 is, for example, 30%.

電極31、32は、ナノワイヤ10の両端に電気的に接続されるものである。本実施形態では、各電極31、32はイオンプレーティングの方法によりガラス部材20の両端面、すなわちナノワイヤ10の両端に形成される。このような電極31、32として、例えばCu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)等が採用される。以上が、熱電変換素子S1の構成である。   The electrodes 31 and 32 are electrically connected to both ends of the nanowire 10. In this embodiment, each electrode 31 and 32 is formed in the both end surfaces of the glass member 20, ie, the both ends of the nanowire 10, by the method of ion plating. As such electrodes 31, 32, for example, Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum) or the like is employed. The above is the configuration of the thermoelectric conversion element S1.

次に、図1に示される熱電変換素子S1の製造工程を、図を参照して説明する。図2は、図1に示される熱電変換素子S1の製造工程を示した図である。また、図3は、図2に続く製造工程を示した図である。   Next, the manufacturing process of the thermoelectric conversion element S1 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the thermoelectric conversion element S1 shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process subsequent to FIG.

図2(a)に示す工程では、ガラステンプレート21を用意する。このガラステンプレート21は、図2(a)に示されるように、φ1μmの貫通孔22を多数有するφ100mm、厚さ1mmのサイズのものである。   In the step shown in FIG. 2A, a glass template 21 is prepared. As shown in FIG. 2A, the glass template 21 has a diameter of 100 mm and a thickness of 1 mm having a large number of through-holes 22 having a diameter of 1 μm.

このようなガラステンプレート21は、以下のようにして形成することができる。すなわち、酸に不溶と可溶の二重構造ガラス棒を加熱して引き伸ばし、これを横方向に並べて更に引き伸ばす。そして、引き伸ばしたものを引き伸ばした方向に対して垂直に切断し、切断後に酸で可溶ガラスを溶解する。このようにして、ミクロンサイズの貫通孔22が多数設けられたガラステンプレート21を形成することができる。   Such a glass template 21 can be formed as follows. That is, a double-structured glass rod that is insoluble and soluble in an acid is heated and stretched, and the glass rods are stretched side by side in the horizontal direction. And what was extended is cut | disconnected perpendicularly | vertically with respect to the direction extended, and soluble glass is melt | dissolved with an acid after cutting | disconnection. Thus, the glass template 21 provided with many micron-sized through holes 22 can be formed.

なお、ガラステンプレート21は本発明の母材に相当する。また、図2(a)では、ガラステンプレート21の貫通孔22を表現するため、ガラステンプレート21の一部をカットしたものを描いてあるが、実際にはカットされていない。   The glass template 21 corresponds to the base material of the present invention. Moreover, in FIG. 2A, in order to express the through-hole 22 of the glass template 21, although what cut a part of the glass template 21 is drawn, it is not actually cut.

図2(b)に示す工程では、ガラステンプレート21の各貫通孔22内部に熱電変換材であるBiを充填する。まず、加圧槽40中に設置された加熱槽41中にBiの塊を設置し、このBiの塊の上にガラステンプレート21を設置する。次に、真空ポンプ42により加圧槽40の内部を真空排気しながら、加熱槽41をBiの融点(271.4℃)以上(例えば300℃まで)に加熱し、Biの塊を溶融させたBi融液43中にガラステンプレート21を浸漬する。   In the step shown in FIG. 2B, Bi, which is a thermoelectric conversion material, is filled inside each through hole 22 of the glass template 21. First, a Bi lump is placed in a heating tank 41 installed in the pressurizing tank 40, and the glass template 21 is placed on the Bi lump. Next, while evacuating the inside of the pressurizing tank 40 by the vacuum pump 42, the heating tank 41 was heated to a melting point (271.4 ° C.) or higher (for example, up to 300 ° C.) of Bi to melt the Bi lump. The glass template 21 is immersed in the Bi melt 43.

この後、真空排気バルブ44を閉じて加圧ポンプバルブ45を開け、加圧ポンプ46によって加圧槽40の内部にAr(アルゴン)等の不活性ガスを数百気圧まで加圧・導入することで貫通孔22中にBiを充填する。そして、加熱槽41の温度を室温まで下げた後、Biの塊からガラステンプレート21を切り出す。こうして、ガラステンプレート21の貫通孔22内にBiを充填したものを得る。   Thereafter, the evacuation valve 44 is closed and the pressurization pump valve 45 is opened, and the pressurization pump 46 pressurizes and introduces an inert gas such as Ar (argon) into the pressurization tank 40 to several hundred atmospheres. Then, Bi is filled in the through hole 22. And after reducing the temperature of the heating tank 41 to room temperature, the glass template 21 is cut out from the lump of Bi. Thus, a glass template 21 filled with Bi in the through hole 22 is obtained.

図2(c)に示す工程では、各貫通孔22にBiを充填したガラステンプレート21を加圧槽40から取り出し、図示しない引張機に取り付ける。具体的には、まず、Biを充填したガラステンプレート21の両端面にダミーガラス51、52を接着剤等で貼り付ける。さらに、各ダミーガラス51、52を引張機の各ワーク61、62に接着剤等により貼り付ける。   In the step shown in FIG. 2C, the glass template 21 filled with Bi in each through-hole 22 is taken out from the pressurizing tank 40 and attached to a tension machine (not shown). Specifically, first, dummy glasses 51 and 52 are attached to both end faces of the glass template 21 filled with Bi with an adhesive or the like. Furthermore, each dummy glass 51 and 52 is affixed on each workpiece | work 61 and 62 of a tension machine with an adhesive agent.

このダミーガラス51、52は、自分自身が変形することでガラステンプレート21の端面近傍を直線状に引き伸ばす役割を果たすものであり、ガラステンプレート21と同じ材質のガラス材が用いられる。また、ワーク61、62とダミーガラス51、52との接続部でダミーガラス51、52が変形することによって、ダミーガラス51、52は、ガラステンプレート21の各貫通孔22内の充填物の流出を防止する機能、各貫通孔22の内圧を維持することで貫通孔22の閉塞を維持する機能、充填物の蒸散防止の機能を果たす。   The dummy glasses 51 and 52 play a role of extending the vicinity of the end face of the glass template 21 in a straight line by being deformed themselves, and a glass material made of the same material as the glass template 21 is used. Further, when the dummy glasses 51 and 52 are deformed at the connecting portion between the workpieces 61 and 62 and the dummy glasses 51 and 52, the dummy glasses 51 and 52 cause the filler in the through holes 22 of the glass template 21 to flow out. The function of preventing, the function of maintaining the internal pressure of each through-hole 22 to maintain the blockage of the through-hole 22, and the function of preventing the transpiration of the filler are achieved.

これら各機能のうち、蒸散防止機能について説明すると、Biの蒸気圧は、1021℃で133Pa、1136℃で1330Paであり、600℃ではそれほど高くないが、Teは600℃で758Paの蒸気圧を有することから、加熱によりドープ濃度が変化しないように上記のようにしてダミーガラス51、52にて各貫通孔22を封止することが必要となる。   Among these functions, the transpiration prevention function will be described. The vapor pressure of Bi is 133 Pa at 1021 ° C., 1330 Pa at 1136 ° C., and not so high at 600 ° C., but Te has a vapor pressure of 758 Pa at 600 ° C. Therefore, it is necessary to seal each through-hole 22 with the dummy glasses 51 and 52 as described above so that the dope concentration does not change by heating.

そして、Biが溶融し、かつ、ガラステンプレート21が流動化する温度以上(例えば約600℃)にガラステンプレート21を加熱すると共に、ダミーガラス51、52を引き離させるように少なくとも一方のワーク61、62を移動させてガラステンプレート21を貫通孔22の軸方向に引き伸ばす。なお、ダミーガラス51、52は本発明の固定部材に相当し、ワーク61、62は本発明の引っ張り部材に相当する。   Then, the glass template 21 is heated to a temperature equal to or higher than the temperature at which Bi is melted and the glass template 21 is fluidized (for example, about 600 ° C.), and at least one of the workpieces 61 and 62 is separated so as to separate the dummy glasses 51 and 52. Is moved to stretch the glass template 21 in the axial direction of the through hole 22. The dummy glasses 51 and 52 correspond to the fixing member of the present invention, and the workpieces 61 and 62 correspond to the pulling member of the present invention.

図2(d)に示す工程では、ガラステンプレート21を引き伸ばす。具体的には、ガラステンプレート21をBiが溶融し、ガラスが軟化する温度(例えば600℃)に加熱した状態で、引張機の各ワーク61、62を引き離させるように少なくとも一方のワーク61、62を移動させてガラステンプレート21を引き伸ばす。   In the step shown in FIG. 2D, the glass template 21 is stretched. Specifically, at least one of the workpieces 61 and 62 so as to separate the workpieces 61 and 62 of the tension machine in a state where the glass template 21 is heated to a temperature at which Bi is melted and the glass is softened (for example, 600 ° C.). Is moved to stretch the glass template 21.

このようにしてガラステンプレート21を引き伸ばすと、ガラステンプレート21の両面に貼り付けられたダミーガラス51、52において、ガラステンプレート21に接着された面がガラステンプレート21と共に引き伸ばされて変形する。これにより、ガラステンプレート21の端面付近の貫通孔22を直線的に引き伸ばすことができる。   When the glass template 21 is stretched in this way, in the dummy glasses 51 and 52 attached to both surfaces of the glass template 21, the surface bonded to the glass template 21 is stretched and deformed together with the glass template 21. Thereby, the through-hole 22 near the end surface of the glass template 21 can be extended linearly.

上述のように、ガラステンプレート21の貫通孔22のサイズは1μmであるので、この貫通孔22のサイズを例えば10nmにするためには、ガラステンプレート21の径が1mmになるまでガラステンプレート21を引き伸ばすこととなる。こうしてガラステンプレート21を引き伸ばすと、ガラステンプレート21の長さは1mになる。この状態になると、ガラステンプレート21は円柱状になり、その内部には、多数のナノワイヤ10が形成された状態になる。   As described above, since the size of the through hole 22 of the glass template 21 is 1 μm, in order to set the size of the through hole 22 to, for example, 10 nm, the glass template 21 is stretched until the diameter of the glass template 21 becomes 1 mm. It will be. When the glass template 21 is stretched in this way, the length of the glass template 21 becomes 1 m. If it will be in this state, the glass template 21 will become a column shape, and will be in the state by which many nanowires 10 were formed in the inside.

図2(e)に示す工程では、上記のようにして引き伸ばされたガラステンプレート21をチップ状に切断する。すなわち、引き伸ばされたガラステンプレート21をナノワイヤ10の軸方向に所望の長さ(例えば1mm)ごとに切断してナノワイヤアレイチップ23を形成する。   In the step shown in FIG. 2E, the glass template 21 stretched as described above is cut into chips. That is, the stretched glass template 21 is cut in the axial direction of the nanowire 10 every desired length (for example, 1 mm) to form the nanowire array chip 23.

この後、図3(a)に示す工程では、ナノワイヤアレイチップ23の両端面に電極31、32を形成する。本実施形態では、イオンプレーティング装置71を用いて各チップ23の両端面に電極31、32となる金属膜を形成する。   Thereafter, in the step shown in FIG. 3A, electrodes 31 and 32 are formed on both end surfaces of the nanowire array chip 23. In the present embodiment, metal films to be the electrodes 31 and 32 are formed on both end surfaces of each chip 23 using the ion plating apparatus 71.

まず、イオンプレーティング装置71について説明する。このイオンプレーティング装置71は、図3(a)に示されるように、チャンバ72内に金属ターゲット73や高周波放電用コイル74が設置されたものとして構成されている。チャンバ72内は、真空ポンプ75によりチャンバ72内のガスが吸引され、真空バルブ76によって真空状態が維持される。また、ナノワイヤアレイチップ23は、当該チップ23の径と同じ径の穴が設けられた固定プレート77にはめ込まれて固定された状態になっている。   First, the ion plating apparatus 71 will be described. As shown in FIG. 3A, the ion plating apparatus 71 is configured such that a metal target 73 and a high frequency discharge coil 74 are installed in a chamber 72. In the chamber 72, the gas in the chamber 72 is sucked by the vacuum pump 75, and the vacuum state is maintained by the vacuum valve 76. Further, the nanowire array chip 23 is fixed by being fitted into a fixing plate 77 provided with a hole having the same diameter as that of the chip 23.

本実施形態では、金属ターゲット73として、電極31、32の原料となるCu、Au、Al等を採用する。   In the present embodiment, Cu, Au, Al, or the like, which is a raw material for the electrodes 31 and 32, is employed as the metal target 73.

このようなイオンプレーティング装置71では、真空ポンプ75にてチャンバ72内を真空状態とし、図示しない電子銃から放出した電子線を金属ターゲット73に照射することで金属ターゲット73を蒸気化する。そして、高周波放電用コイル74にてチャンバ72内にプラズマを発生させることで、蒸気化した金属材料をイオン化する。固定プレート77にバイアスを印加することにより、イオン化した金属ターゲット73を固定プレート77側に加速させて金属ターゲット73に対向するチップ23の端面に金属膜を堆積(蒸着)する。同様に、チップ23の反対側の端面にも金属膜を形成する。このようにして、電極31、32を形成する。   In such an ion plating apparatus 71, the inside of the chamber 72 is evacuated by the vacuum pump 75, and the metal target 73 is vaporized by irradiating the metal target 73 with an electron beam emitted from an electron gun (not shown). Then, plasma is generated in the chamber 72 by the high-frequency discharge coil 74 to ionize the vaporized metal material. By applying a bias to the fixed plate 77, the ionized metal target 73 is accelerated toward the fixed plate 77, and a metal film is deposited (evaporated) on the end face of the chip 23 facing the metal target 73. Similarly, a metal film is formed on the opposite end face of the chip 23. In this way, the electrodes 31 and 32 are formed.

このような方法によると、イオン化した金属ターゲット73をエネルギーの高い状態でチップ23の端面に付着させることができるため、金属膜とチップ23の端面との高い密着性を得ることができる。   According to such a method, since the ionized metal target 73 can be attached to the end face of the chip 23 with high energy, high adhesion between the metal film and the end face of the chip 23 can be obtained.

また、ナノワイヤアレイチップ23の両端面に金属膜である電極31、32を形成することにより、チップ23内のナノワイヤ10が各電極31、32によって密閉された状態となる。すなわち、電極31、32は、図3(b)に示す工程におけるナノワイヤの蒸散防止機能も果たす。   Further, by forming the electrodes 31 and 32 that are metal films on both end faces of the nanowire array chip 23, the nanowire 10 in the chip 23 is sealed by the electrodes 31 and 32. That is, the electrodes 31 and 32 also fulfill the function of preventing nanowire transpiration in the step shown in FIG.

図3(b)に示す工程では、ナノワイヤ10の結晶性を向上させる加熱/徐冷処理を行う。すなわち、図2(d)に示される工程では、Biの溶融温度以上、かつ、ガラステンプレート21の軟化温度以上(ガラステンプレート21が流動化する温度以上)でガラステンプレート21を加熱しているため、重力によって変形等が起こりやすくなっている。したがって、図2(d)に示す工程では、ガラステンプレート21の加熱後、素早くガラステンプレート21を引き伸ばしたことによって、ナノワイヤ10がアモルファス状態になっている可能性がある。そこで、本工程により、チップ23を加熱して徐冷することにより、ナノワイヤ10の結晶性を向上させる。   In the step shown in FIG. 3B, a heating / slow cooling process for improving the crystallinity of the nanowire 10 is performed. That is, in the process shown in FIG. 2D, the glass template 21 is heated at a temperature equal to or higher than the melting temperature of Bi and equal to or higher than the softening temperature of the glass template 21 (a temperature higher than the temperature at which the glass template 21 fluidizes). Deformation and the like are likely to occur due to gravity. Therefore, in the step shown in FIG. 2D, there is a possibility that the nanowire 10 is in an amorphous state by rapidly stretching the glass template 21 after the glass template 21 is heated. Therefore, the crystallinity of the nanowire 10 is improved by heating and slowly cooling the chip 23 in this step.

具体的には、図3(b)に示されるように、加熱/徐冷装置81を用意する。この加熱/徐冷装置81は、ヒータ82を備え、このヒータ82によって各チップ23を加熱できるようになっている。すなわち、電極31、32を形成したナノワイヤアレイチップ23を加熱/徐冷装置81内に設置する。そして、Biの溶融温度以上、かつ、ガラス軟化温度以下(例えば300℃〜430℃)まで一旦加熱した後、例えば約24時間かけて室温まで徐冷する。これにより、ナノワイヤ10の結晶性を向上させることができる。以上により、図1に示される熱電変換素子S1が完成する。   Specifically, as shown in FIG. 3B, a heating / slow cooling device 81 is prepared. The heating / slow cooling device 81 includes a heater 82, and each chip 23 can be heated by the heater 82. That is, the nanowire array chip 23 on which the electrodes 31 and 32 are formed is placed in the heating / slow cooling device 81. And after heating once to the melting temperature of Bi or more and glass softening temperature or less (for example, 300 degreeC-430 degreeC), it cools to room temperature over about 24 hours, for example. Thereby, the crystallinity of the nanowire 10 can be improved. Thus, the thermoelectric conversion element S1 shown in FIG. 1 is completed.

続いて、上記のようにして得られた熱電変換素子S1の熱電材料としての性能について説明する。上述のように、熱電変換材料の性能は、無次元性能指数ZTで評価される。ここで、Tは絶対温度(K)、ZはSσ/κとして表され、Sはゼーベック係数(V/K)、σは電気伝導率(/Ωm)、そしてκは熱伝導率(W/mK)である。 Subsequently, the performance of the thermoelectric conversion element S1 obtained as described above as a thermoelectric material will be described. As described above, the performance of the thermoelectric conversion material is evaluated by the dimensionless figure of merit ZT. Where T is expressed as absolute temperature (K), Z is expressed as S 2 σ / κ, S is Seebeck coefficient (V / K), σ is electrical conductivity (/ Ωm), and κ is thermal conductivity (W / mK).

ナノワイヤ10のゼーベック係数Sは、その径がナノサイズであることからバルク材料に比べて極めて高い値となり、φ10nmのものでバルク材料のものと比較して10倍以上のゼーベック係数が得られ、具体的にゼーベック係数として約700μV/K(バルクは約50μV/K)が得られる。   The Seebeck coefficient S of the nanowire 10 is extremely high compared to the bulk material because the diameter is nano-size, and the Seebeck coefficient of φ10 nm is 10 times or more that of the bulk material. Thus, about 700 μV / K (bulk is about 50 μV / K) is obtained as the Seebeck coefficient.

一方、Biの熱伝導率は7.87W/mK(室温付近)、ガラスの熱伝導率は約1W/mKであり、上述のように断面積比30%の場合を考えると、ナノワイヤアレイチップ23の全体的な熱伝導率κは約3.1W/mKである。また、Biの電気伝導率は0.84×10/Ωm(18℃)であるが、ガラスは絶縁体であり、断面積比30%の場合を考えると、ナノワイヤアレイチップ23の電気伝導率は0.25×10/Ωmである。これにより、Zは約0.04、300Kにおける無次元性能指数ZTは12となり、通常、1程度のZTしか得られないバルク熱電材料より高い値を得ることができる。 On the other hand, the thermal conductivity of Bi is 7.87 W / mK (near room temperature), the thermal conductivity of glass is about 1 W / mK, and considering the case where the cross-sectional area ratio is 30% as described above, the nanowire array chip 23 The overall thermal conductivity κ is about 3.1 W / mK. Further, Bi has an electric conductivity of 0.84 × 10 6 / Ωm (18 ° C.), but glass is an insulator, and the electric conductivity of the nanowire array chip 23 is considered when the cross-sectional area ratio is 30%. Is 0.25 × 10 6 / Ωm. As a result, Z is about 0.04, and the dimensionless figure of merit ZT at 300K is 12, which can be higher than that of a bulk thermoelectric material that usually provides only about 1 ZT.

以上説明したように、本実施形態では、ガラステンプレート21の貫通孔22に熱電変換材であるBi;Teを充填し、このガラステンプレート21を加熱して引き伸ばすことにより、ガラステンプレート21内にナノワイヤ10を形成することが特徴となっている。   As described above, in the present embodiment, the nanowire 10 is inserted into the glass template 21 by filling the through hole 22 of the glass template 21 with Bi; Te, which is a thermoelectric conversion material, and heating and stretching the glass template 21. It is characterized by forming.

したがって、ガラステンプレート21に設けられたミクロンサイズの多数の貫通孔22の中にBiを充填して引き伸ばしているので、ガラステンプレート21の中に確実にナノサイズのワイヤを形成することができる。さらに、ガラステンプレート21を引き伸ばすだけで自発的にナノワイヤ10を形成することができるため、ナノワイヤ10を歩留まり良く、そして確実に形成することができる。このようにしてナノワイヤ10を形成する際、引き伸ばすガラステンプレート21の長さを制御することで、ナノワイヤ10の径を制御することもできる。   Therefore, since Bi is filled in and stretched in a large number of micron-sized through holes 22 provided in the glass template 21, nano-sized wires can be reliably formed in the glass template 21. Furthermore, since the nanowire 10 can be spontaneously formed simply by stretching the glass template 21, the nanowire 10 can be formed with good yield and reliability. Thus, when forming the nanowire 10, the diameter of the nanowire 10 can also be controlled by controlling the length of the glass template 21 to be stretched.

また、ガラステンプレート21がガラスであるので、形成されたチップ23のガラス部材20の熱伝導率が低く(約1W/mK)、ガラス部材20を通した熱損失による性能低下を抑制することができる。さらに、引き伸ばしたガラステンプレート21を切断する長さを自由に設定できるので、例えばmmオーダの長さのチップ23を容易に形成することができる。すなわち、電極31、32間の距離を大きくすることができ、温度差を大きくすることができるので、熱電変換特性を向上できる。   Moreover, since the glass template 21 is glass, the thermal conductivity of the glass member 20 of the formed chip 23 is low (about 1 W / mK), and performance degradation due to heat loss through the glass member 20 can be suppressed. . Furthermore, since the length for cutting the stretched glass template 21 can be set freely, for example, a chip 23 having a length on the order of mm can be easily formed. That is, since the distance between the electrodes 31 and 32 can be increased and the temperature difference can be increased, the thermoelectric conversion characteristics can be improved.

なお、上記のように、引き伸ばしてナノワイヤ10を形成する方法であるので、製造プロセスも簡便であり、低コストな熱電変換素子S1を提供することができる。   In addition, since it is the method of extending and forming the nanowire 10 as mentioned above, a manufacturing process is also simple and can provide low-cost thermoelectric conversion element S1.

(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、図2(d)に示す工程の後、引き伸ばされた円柱状のガラステンプレート21を直方形状に整えることが特徴となっている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, only parts different from the first embodiment will be described. In this embodiment, after the process shown in FIG. 2D, the stretched columnar glass template 21 is arranged in a rectangular shape.

図4は、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子S1の製造工程を示した図である。この図は、図2(d)の工程において引き伸ばしたガラステンプレート21を、貫通孔22の軸に対して垂直な断面を示している。さらに、図4(a)は変形前のガラステンプレート21の断面図、図4(b)は変形後のガラステンプレート21の断面図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of the thermoelectric conversion element S1 according to the second embodiment of the present invention. This drawing shows a cross section of the glass template 21 stretched in the step of FIG. 4A is a cross-sectional view of the glass template 21 before deformation, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the glass template 21 after deformation.

すなわち、図2(d)の工程を終えた後、図4(a)に示される工程では、四角形状の各辺に対応した4つの金型91〜94(本発明の成型部材に相当)を用意し、それぞれをガラステンプレート21の側面に配置する。   That is, after finishing the process of FIG.2 (d), in the process shown by Fig.4 (a), four metal mold | dies 91-94 (equivalent to the shaping | molding member of this invention) corresponding to each square-shaped edge | side are shown. Prepare and place each on the side of the glass template 21.

そして、図4(b)に示す工程は、各金型91〜94をそれぞれ対向する側にそれぞれ移動させて各金型91〜94をガラステンプレート21の側面に押し当てる。これにより、ガラステンプレート21の断面が四角形状となるようにガラステンプレート21を成型することができる。   Then, in the step shown in FIG. 4B, the molds 91 to 94 are moved to the opposite sides, and the molds 91 to 94 are pressed against the side surface of the glass template 21. Thereby, the glass template 21 can be shape | molded so that the cross section of the glass template 21 may become square shape.

この後、図2(e)に示す工程以降の工程を行うことにより、断面が四角形状のナノワイヤアレイチップ23を形成することができる。   Thereafter, by performing the steps after the step shown in FIG. 2E, the nanowire array chip 23 having a quadrangular cross section can be formed.

このようにして、断面を四角形状としたナノワイヤアレイチップ23を製造することにより、ナノワイヤアレイチップ23を横方向に多数並べてモジュールを作成する場合、断面が円形のチップ23よりも四角形のものの方が、チップ23を高密度に配置することができる。これにより、熱電変換素子S1を多数用いたモジュールとして得られる単位面積当たりのパワーを、断面が円形のものよりも大きくすることができる。   In this way, by manufacturing the nanowire array chip 23 having a quadrangular cross section, when a module is formed by arranging a large number of nanowire array chips 23 in the horizontal direction, the module having a quadrangular shape is more preferable than the chip 23 having a circular cross section. The chips 23 can be arranged with high density. Thereby, the power per unit area obtained as a module using many thermoelectric conversion elements S1 can be made larger than that having a circular cross section.

以上のように、引き伸ばしたガラステンプレート21の外形を金型91〜94にて押し込んで、断面が四角形状のナノワイヤアレイチップ23を製造することもできる。   As described above, the outer shape of the stretched glass template 21 can be pushed in with the dies 91 to 94 to manufacture the nanowire array chip 23 having a square cross section.

(第3実施形態)
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、図2(e)に示す工程の後、ナノワイヤ10の両端をガラス部材20から露出させることが特徴となっている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, only different portions from the above embodiments will be described. The present embodiment is characterized in that both ends of the nanowire 10 are exposed from the glass member 20 after the step shown in FIG.

図5は、本発明の第3実施形態に係る熱電変換素子S1の製造工程を示した図である。本実施形態では、図2(e)に示す工程を終えた後、各チップ23に対してエッチング処理を施す。具体的には、各チップ23を緩衝フッ酸中に浸漬する。これにより、ガラス部材20であるガラスをわずかにエッチングし、ガラス部材20から突き出したナノワイヤ10を有するナノワイヤアレイチップ23を形成する。   FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the thermoelectric conversion element S1 according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the etching process is performed on each chip 23 after the process shown in FIG. Specifically, each chip 23 is immersed in buffered hydrofluoric acid. Thereby, the glass which is the glass member 20 is slightly etched, and the nanowire array chip 23 having the nanowire 10 protruding from the glass member 20 is formed.

このようにして、ガラス部材20からナノワイヤ10の両端10a、10bを露出させた後、ナノワイヤ10の両端10a、10bが露出したガラス部材20の両端面に各電極31、32を形成する(図3(a)参照)。これにより、各電極31、32とナノワイヤ10の両端10a、10bとの電気的接続特性をより高めることができる。   Thus, after exposing the both ends 10a and 10b of the nanowire 10 from the glass member 20, each electrode 31 and 32 is formed in the both end surfaces of the glass member 20 which the both ends 10a and 10b of the nanowire 10 exposed (FIG. 3). (See (a)). Thereby, the electrical connection characteristic of each electrode 31 and 32 and the both ends 10a and 10b of the nanowire 10 can be improved more.

(他の実施形態)
上記各実施形態において、熱電変換素子S1に用いられる材質やサイズは、用いられる状況に合わせて変更しても構わない。同様に、ガラステンプレート21のサイズやガラス部材20中のナノワイヤ10の含有量等については、上記各実施形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
In each said embodiment, you may change the material and size used for the thermoelectric conversion element S1 according to the condition used. Similarly, the size of the glass template 21, the content of the nanowire 10 in the glass member 20, and the like are not limited to the above embodiments.

上記実施形態では、電極31、32を形成する方法として、イオンプレーティング装置71を用いた方法が採用されているが、この方法に限らず、スパッタや蒸着の方法を採用しても構わない。   In the above embodiment, a method using the ion plating apparatus 71 is adopted as a method of forming the electrodes 31 and 32. However, the method is not limited to this method, and a sputtering or vapor deposition method may be adopted.

また、ダミーガラス51、52として、ガラステンプレート21と同じ材質のものを用いているが、他の材料で固定しても構わない。しかしながら、熱膨張率の異なる2つのものを引き伸ばしたとき、ガラステンプレート21側にストレス等が生じる場合が考えられるため、ダミーガラス51、52としてガラステンプレート21と同じ素材のものを採用することが好ましい。   Moreover, although the same material as the glass template 21 is used as the dummy glasses 51 and 52, you may fix with another material. However, when two materials having different coefficients of thermal expansion are stretched, stress or the like may occur on the glass template 21 side. Therefore, it is preferable to use the same material as the glass template 21 as the dummy glasses 51 and 52. .

本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a thermoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 図1に係る熱電変換素子の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the thermoelectric conversion element which concerns on FIG. 図2に続く製造工程を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a manufacturing process subsequent to FIG. 2. 本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the thermoelectric conversion element which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 従来のナノワイヤ作製の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of conventional nanowire preparation.

符号の説明Explanation of symbols

10…ナノワイヤ、20…ガラス部材、21…母材としてのガラステンプレート、22…貫通孔、23…ナノワイヤアレイチップ、31、32…電極、40…加圧槽、41…加熱槽、43…Bi融液、51、52…固定部材としてのダミーガラス、61、62…引っ張り部材としてのワーク、91〜94…成型部材としての金型。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nanowire, 20 ... Glass member, 21 ... Glass template as base material, 22 ... Through-hole, 23 ... Nanowire array chip, 31, 32 ... Electrode, 40 ... Pressurization tank, 41 ... Heating tank, 43 ... Bi fusion Liquid, 51, 52 ... dummy glass as a fixing member, 61, 62 ... work as a pulling member, 91-94 ... mold as a molding member.

Claims (11)

ガラスで構成されると共に、多数の貫通孔(22)が形成されてなる母材(21)を用意する工程と、
前記多数の貫通孔に熱電変換材を充填する工程と、
前記母材が軟化する温度以上、かつ、前記熱電変換材の融点以上に前記母材を加熱すると共に、前記母材を前記貫通孔の軸方向に引き伸ばすことで、前記母材の中にナノワイヤ(10)を形成する工程と、
前記引き伸ばした母材を、前記貫通孔の軸方向に対して垂直方向に切断してチップ(23)を形成する工程と、を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
A step of preparing a base material (21) formed of glass and having a large number of through holes (22) formed;
Filling the numerous through holes with a thermoelectric conversion material;
The base material is heated above the melting point of the thermoelectric conversion material at a temperature equal to or higher than the softening temperature of the thermoelectric conversion material, and the base material is stretched in the axial direction of the through hole. 10) forming,
Cutting the stretched base material in a direction perpendicular to the axial direction of the through hole to form a chip (23), and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
前記母材の中に前記ナノワイヤを形成する工程では、
前記母材において、前記貫通孔から前記熱電変換材が露出する面とその面とは反対側の面に、それぞれ固定部材(51、52)を固定する工程と、
前記固定部材において前記母材が固定された面とは反対の面にそれぞれ引っ張り部材(61、62)を固定する工程と、
前記母材が軟化する温度以上、かつ、前記熱電変換材の融点以上に前記母材を加熱すると共に、前記引っ張り部材を引き離させるように少なくとも一方の前記引っ張り部材を移動させて前記母材を引き伸ばす工程と、を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子の製造方法。
In the step of forming the nanowire in the base material,
In the base material, fixing the fixing members (51, 52) to the surface on which the thermoelectric conversion material is exposed from the through hole and the surface opposite to the surface;
Fixing the tension members (61, 62) on the surface of the fixing member opposite to the surface on which the base material is fixed;
The base material is heated to a temperature above the softening temperature of the base material and above the melting point of the thermoelectric conversion material, and at least one of the tension members is moved to stretch the base material so as to separate the tension member. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising: a process.
前記固定部材を固定する工程では、前記固定部材として、前記母材と同一材質のものを用いることを特徴とする請求項2に記載の熱電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 2, wherein, in the step of fixing the fixing member, the fixing member is made of the same material as the base material. 前記チップを形成する工程では、前記母材を切断した後、前記チップにおいて前記ナノワイヤの端面が露出する両端面に電極(31、32)を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の熱電変換素子の製造方法。 The step of forming the chip includes a step of forming electrodes (31, 32) on both end faces of the chip where the end faces of the nanowires are exposed after cutting the base material. The manufacturing method of the thermoelectric conversion element as described in any one of 1-3. 前記チップを形成する工程では、前記電極を形成した後、前記チップを、前記熱電変換材の溶融温度以上、かつ、前記母材が軟化する温度以下まで加熱し、その後徐冷することを特徴とする請求項4に記載の熱電変換素子の製造方法。 In the step of forming the chip, after the electrode is formed, the chip is heated to a temperature equal to or higher than a melting temperature of the thermoelectric conversion material and equal to or lower than a temperature at which the base material softens, and then gradually cooled. The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of Claim 4. 前記母材の中に前記ナノワイヤを形成する工程では、前記母材を前記貫通孔の軸方向に引き伸ばした後、前記母材を前記貫通孔の軸方向に対して垂直に切断した断面が四角形状となるように、前記引き伸ばした母材の側面に成型部材(91〜94)を押し当てて成型することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の熱電変換素子の製造方法。 In the step of forming the nanowire in the base material, the base material is stretched in the axial direction of the through hole, and then the base material is cut perpendicularly to the axial direction of the through hole. 6. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein a molding member (91 to 94) is pressed against a side surface of the stretched base material so as to be formed. . 前記チップを形成する工程では、前記チップにおいて前記ナノワイヤの端面が露出する両端面を溶解させるエッチング処理を行う工程を含んでいることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の熱電変換素子の製造方法。 7. The method according to claim 1, wherein the step of forming the chip includes a step of performing an etching process for dissolving both end surfaces of the chip where the end surfaces of the nanowires are exposed. 8. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element. 前記多数の貫通孔に熱電変換材を充填する工程では、
加圧槽(40)内に加熱槽(41)を設置し、雰囲気圧力を大気圧から低下させた状態で前記加熱槽の中で前記熱電変換材を溶融させて融液(43)を用意する工程と、
前記多数の貫通孔が形成された前記母材を、前記多数の貫通孔が前記融液に覆われるように前記融液中に浸す工程と、
前記加圧槽内を大気圧に戻すと共に、当該加圧槽内に不活性ガスを導入して前記加圧槽内を加圧状態とし、前記母材に形成された前記多数の貫通孔の中に前記融液を充填する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項1ないし7に記載の熱電変換素子の製造方法。
In the step of filling the numerous through holes with the thermoelectric conversion material,
A heating tank (41) is installed in the pressurizing tank (40), and a melt (43) is prepared by melting the thermoelectric conversion material in the heating tank in a state where the atmospheric pressure is reduced from the atmospheric pressure. Process,
Immersing the base material in which the multiple through-holes are formed in the melt such that the multiple through-holes are covered with the melt;
The inside of the pressurizing tank is returned to atmospheric pressure, and an inert gas is introduced into the pressurizing tank so that the inside of the pressurizing tank is in a pressurized state, and the inside of the numerous through holes formed in the base material The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a step of filling the melt with the melt.
前記多数の貫通孔に前記熱電変換材を充填する工程では、前記熱電変換材としてBiを含む金属を用いることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の熱電変換素子の製造方法。 9. The manufacturing of a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein a metal containing Bi is used as the thermoelectric conversion material in the step of filling the numerous through holes with the thermoelectric conversion material. Method. 柱形状のガラス部材(20)と、前記ガラス部材の内部に固定され前記柱形状の軸方向に伸びる多数のナノワイヤ(10)と、前記ガラス部材の両端面において前記ナノワイヤの両端面にそれぞれ電気的に接続される電極(31、32)と、を有し、前記ナノワイヤによって前記電極間の温度差を起電力に変換する熱電変換素子であって、
前記ナノワイヤの径は、前記ナノワイヤを構成する材料がバルクとして有するゼーベック係数よりも高いゼーベック係数が量子効果によって発現する径になっていることを特徴とする熱電変換素子。
A columnar glass member (20), a number of nanowires (10) fixed in the glass member and extending in the axial direction of the columnar member, and both end surfaces of the glass member are electrically connected to both end surfaces of the nanowire. A thermoelectric conversion element that converts a temperature difference between the electrodes into an electromotive force by the nanowire,
The diameter of the nanowire is a diameter at which a Seebeck coefficient higher than the Seebeck coefficient that the material constituting the nanowire has as a bulk is expressed by a quantum effect.
前記熱電変換材は、Biを含む金属であることを特徴とする請求項10に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 10, wherein the thermoelectric conversion material is a metal containing Bi.
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