JP2017216388A - 熱電材料、熱電素子、光センサおよび熱電材料の製造方法 - Google Patents
熱電材料、熱電素子、光センサおよび熱電材料の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】熱電材料は、バンドギャップを有する第1の材料と、第1の材料とは異なる第2の材料との混合体中に分散された複数のナノ粒子を備える。第1の材料はSiおよびGeを含む。熱電材料において、第2の材料の原子濃度(単位は原子%)をcとし、Geに対するSiの組成比をrとした場合に、第2の材料の原子濃度および組成比は、下記式(1)および(2)で表される関係式を満足する。
r≦0.62c−0.25 ・・・(1)
r≧0.05c−0.06 ・・・(2)
【選択図】図1
Description
r≦0.05c−0.06 ・・・(2)
本発明の一態様に係る熱電材料の製造方法は、第2の材料を含むGeからなる第1層と、第2の材料を含まないSiからなる第2層とを交互に積層する工程を備える。熱電材料において、第2の材料の原子濃度(単位は原子%)をcとし、Siに対するGeの組成比(Si/Ge)をrとした場合に、第2の材料の原子濃度cおよび組成比rは、上記式(1)および(2)で表される関係式を満足する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
r≦0.05c−0.06 ・・・(2)
このようにすれば、熱電材料は、5nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子網(ネット)の構造を有することになる。なお、本明細書において、ナノ粒子とは、周期的に整列した原子からなり、部分的には単結晶とみなせる結晶粒であって、サイズがナノメートルのオーダーのものと定義する。このナノ粒子は、第1の材料を少なくとも含んでいる。すなわち、ナノ粒子には、第1の材料を含むものと、第1の材料および第2の材料を含むものとがある。ナノ粒子が十分に厚くて高いエネルギー障壁層で3次元的に囲まれることにより、量子ドットとなる。また、本明細書において、粒径とは、電子顕微鏡で得られた像(2次元平面投影像)から計測したナノ粒子の長径をいう。また、粒間隔とは、電子顕微鏡で得られた像(2次元平面投影像)から計測したナノ粒子の端から端までの最短間隔をいう。
このようにすれば、熱電材料は、3nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有することになる。熱電材料は、量子効果が顕著となるため、優れた熱電特性を実現できる。
r≦0.05c−0.06 ・・・(2)
上記製造方法によれば、5nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有する熱電材料を製造することができる。これによると、熱電材料は、量子ネット構造において効果的に量子効果が発揮されるため、優れた熱電特性を実現できる。
このようにすれば、3nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有する熱電材料を製造することができる。これにより、量子効果が顕著となるため、熱電材料は優れた熱電特性を実現できる。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
1.熱電材料の構成
最初に、第1の実施形態に係る熱電材料の基本的構成を説明する。図1は、量子ドット構造を有する熱電材料10を模式的に示す図である。
次に、第1の実施形態に係る熱電材料の製造方法を説明する。
複数の試料について、ゼーベック係数Sおよび導電率σを測定し、熱電材料として用いた場合の熱電特性を評価した。なお、複数の試料のうちの一部の試料は第1層および第2層を分子線エピタキシー法(MBE法)で堆積し、残りの試料は第1層および第2層を電子ビーム法(EB法)により堆積した。
複数の試料について、熱電特性評価装置(装置名:ZEM3、アルバック理工社製)でゼーベック係数Sを測定した。また複数の試料について、導電率測定装置(装置名:ZEM3、アルバック理工社製)で導電率σを測定した。そして、これらの測定値に基づき、複数の試料について無次元性能指数ZTを算出した。
上述したように、本実施形態に係る熱電材料において、量子ネット構造における量子効果を有効に生じさせるためには、量子ドットであるナノ粒子の平均粒径φmは0.1nm以上5nm以下であることが好ましく、0.1nm以上3nm以下であることがより好ましい。また、ナノ粒子の平均粒間隔dmは0.1nm以上2nm以下であることが好ましい。
本発明者は、最初に、熱電材料におけるナノ粒子の粒径φおよび結晶化率ηの各々について、Auの組成および組成比Si/Geとの関係を表す実験式を導出することを試みた。なお、結晶化率ηとは、アモルファスSiGe、アモルファスSiおよびアモルファスGeからなる母材とナノ粒子とが混在している熱電材料におけるナノ粒子の割合をいう。
次に、ナノ粒子の粒径φが5nm以下であり、かつ、熱電材料の結晶化率ηが16%以上となる構造を実現するため、実験式(7),(8)を用いて、Auの組成比および組成比Si/Geの最適化を行なった。以下、図12から図14を参照して、Auの組成および組成比Si/Geの最適化について説明する。
5.キャリアの閉じ込め効果の制御
SiおよびGeからなる母材中に、Auを含むSiGeのナノ粒子が分散した熱電材料において、熱電材料におけるAuの組成、および組成比Si/Geの制御について更なる検討を進めた結果、本発明者は、量子ドットにおけるキャリアの閉じ込め効果が、組成比Si/Geによって変化することを見出した。第2の実施形態では、上記知見に基づいてキャリアの閉じ込め効果を発揮し得る最適な組成比Si/Geを検討した結果について説明する。
第3の実施形態に係る熱電材料は、第1の実施の形態に係る熱電材料とは、サファイア基板40の代わりに、基板体48を用いている点のみが異なる。
第4の実施形態では、上述した第1から第3の実施の形態に係る熱電材料を用いて形成される熱電素子および熱電モジュールの構成について説明する。
第5の実施形態では、上述した第1から第3の実施形態に係る熱電材料を用いて形成される光センサの構成を説明する。
10 熱電材料
20 母材
30 量子ドット(ナノ粒子)
32 波動関数
40 サファイア基板
41 最上層
42 第1層
43,45 アモルファスGe層
44 Au層
46 第2層
48 基板体
50,51 低温型電極
52 高温側電極
60,86 p型熱電材料
61 接合部
62,83 n型熱電材料
70,71 絶縁体基板
73 リード線
80 基板
81 空隙
82 エッチングストップ層
84 n+型オーミックコンタクト層
85 絶縁体層
88 p型オーミックコンタクト層
89 熱吸収用パッド
90 吸収体
91 保護膜
130 p型熱電変換部
140 n型熱電変換部
r≧0.05c−0.06 ・・・(2)
本発明の一態様に係る熱電材料の製造方法は、第2の材料を含むGeからなる第1層と、第2の材料を含まないSiからなる第2層とを交互に積層する工程を備える。熱電材料において、第2の材料の原子濃度(単位は原子%)をcとし、Geに対するSiの組成比(Si/Ge)をrとした場合に、第2の材料の原子濃度cおよび組成比rは、上記式(1)および(2)で表される関係式を満足する。
r≧0.05c−0.06 ・・・(2)
このようにすれば、熱電材料は、5nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子網(ネット)の構造を有することになる。なお、本明細書において、ナノ粒子とは、周期的に整列した原子からなり、部分的には単結晶とみなせる結晶粒であって、サイズがナノメートルのオーダーのものと定義する。このナノ粒子は、第1の材料を少なくとも含んでいる。すなわち、ナノ粒子には、第1の材料を含むものと、第1の材料および第2の材料を含むものとがある。ナノ粒子が十分に厚くて高いエネルギー障壁層で3次元的に囲まれることにより、量子ドットとなる。また、本明細書において、粒径とは、電子顕微鏡で得られた像(2次元平面投影像)から計測したナノ粒子の長径をいう。また、粒間隔とは、電子顕微鏡で得られた像(2次元平面投影像)から計測したナノ粒子の端から端までの最短間隔をいう。
このようにすれば、熱電材料は、3nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有することになる。熱電材料は、量子効果が顕著となるため、優れた熱電特性を実現できる。
r≧0.05c−0.06 ・・・(2)
上記製造方法によれば、5nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有する熱電材料を製造することができる。これによると、熱電材料は、量子ネット構造において効果的に量子効果が発揮されるため、優れた熱電特性を実現できる。
このようにすれば、3nm以下の粒径を有するナノ粒子が2nm以下の粒間隔で混合体中に分散された量子ネットの構造を有する熱電材料を製造することができる。これにより、量子効果が顕著となるため、熱電材料は優れた熱電特性を実現できる。
Claims (13)
- SiおよびGeを含む第1の材料と、前記第1の材料とは異なる第2の材料とを含み、前記第1の材料および前記第2の材料の混合体中に分散された複数のナノ粒子を備えた熱電材料であって、
前記熱電材料において、前記第2の材料の原子濃度(単位は原子%)をcとし、Siに対するGeの組成比をrとした場合に、前記第2の材料の原子濃度および前記組成比は、下記式(1)および(2)で表される関係式を満足する、熱電材料。
r≧0.62c−0.25 ・・・(1)
r≦0.05c−0.06 ・・・(2) - 前記第2の材料の原子濃度および前記組成比は、下記式(3)で表される関係式をさらに満足する、請求項1に記載の熱電材料。
r≦0.23c+0.3 ・・・(3) - 前記組成比は0.16以上である、請求項1または請求項2に記載の熱電材料。
- 前記組成比は0.3以上である、請求項3に記載の熱電材料。
- 前記組成比は0.56以上である、請求項4に記載の熱電材料。
- 前記第2の材料はAu、Cu,BまたはAlである、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の熱電材料。
- p型またはn型にドープされた、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱電材料と、
前記熱電材料の第1の端面および前記第1の端面に対向する第2の端面にそれぞれ接合された一対の電極とを備える、熱電素子。 - p型またはn型にドープされた、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱電材料と、
前記熱電材料の同一主面上に互いに隔離して配置され、前記熱電材料に接合された一対の電極とを備える、熱電素子。 - p型にドープされた第1の熱電材料と、
n型にドープされた第2の熱電材料とを備え、
前記第1の熱電材料および前記第2の熱電材料はそれぞれ、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱電材料により構成され、
前記第1の熱電材料および前記第2の熱電材料は、さらに、各々が第1の端面と前記第1の端面と反対側に位置する第2の端面とを有し、前記第1の端面において互いに接合され、
前記第1の熱電材料の前記第2の端面および前記第2の熱電材料の前記第2の端面にそれぞれ接合された一対の電極をさらに備える、熱電素子。 - 前記光を吸収して熱に変換する吸収体と、
前記吸収体に接続される熱電変換部とを備え、
前記熱電変換部は、p型またはn型にドープされた、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱電材料を含む、光センサ。 - SiおよびGeを含む第1の材料と、前記第1の材料とは異なる第2の材料とを含み、前記第1の材料および前記第2の材料の混合体中に分散された複数のナノ粒子を備えた熱電材料の製造方法であって、
前記第2の材料を含むGeからなる第1層と、前記第2の材料を含まないSiからなる第2層とを交互に積層する工程を備え、
前記熱電材料において、前記第2の材料の原子濃度(単位は原子%)をcとし、Siに対するGeの組成比をrとした場合に、前記第2の材料の原子濃度および前記組成比は、下記式(1)および(2)で表される関係式を満足する、熱電材料の製造方法。
r≧0.62c−0.25 ・・・(1)
r≦0.05c−0.06 ・・・(2) - 前記第1層と前記第2層とが積層された積層体をアニール処理することにより、前記混合体中に前記複数のナノ粒子を形成する工程をさらに備える、請求項11に記載の熱電材料の製造方法。
- 前記アニール処理の温度は、300℃以上800℃以下である、請求項12に記載の熱電材料の製造方法。
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