JP6032128B2 - Thermoelectric generator - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric power generation element that converts thermal energy into electrical energy.

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子として、熱電子放出を利用して起電力を発生する熱電子発電素子がある。例えば、特許文献1には、エミッタ電極とコレクタ電極とを間隙を介して対向して配置した熱電子発電素子の例が開示されている。この熱電子発電素子は、エミッタ電極を加熱することにより、熱電子がエミッタ電極から放出され、コレクタ電極に収集されるよう構成されている。そして、エミッタ電極とコレクタ電極との間に負荷を接続した状態においては、コレクタ電極に到達した熱電子が負荷を介してエミッタ電極に移動することにより、負荷に電力を供給することができる。   As a power generation element that converts thermal energy into electrical energy, there is a thermoelectron power generation element that generates electromotive force by utilizing thermionic emission. For example, Patent Document 1 discloses an example of a thermionic power generation element in which an emitter electrode and a collector electrode are arranged to face each other with a gap therebetween. This thermoelectron power generation element is configured such that when the emitter electrode is heated, thermoelectrons are emitted from the emitter electrode and collected by the collector electrode. And in the state which connected the load between the emitter electrode and the collector electrode, the thermoelectron which reached | attained the collector electrode moves to an emitter electrode through a load, and can supply electric power to a load.

また、エミッタ電極の材質としてダイヤモンド半導体を用いる場合には、その表面を水素終端することにより、エミッタ電極が、真空準位が価電子帯の下端よりも低いエネルギー準位となる、いわゆる負の電子親和力(NEA:Negative Electron Affinity)を有する状態となる。これにより、熱電子がエミッタ電極からより放出されやすくなるため、熱電子発電素子の発電効率をより向上させることができる。   Also, when a diamond semiconductor is used as the material of the emitter electrode, the surface of the emitter is hydrogen-terminated, so that the emitter electrode has a lower energy level than the lower end of the valence band, so-called negative electrons. It will be in the state which has affinity (NEA: Negative Electron Affinity). Thereby, since it becomes easy to discharge | release a thermoelectron from an emitter electrode, the electric power generation efficiency of a thermoelectron power generating element can be improved more.

特開2011−29427号公報JP 2011-29427 A

しかしながら、表面を水素終端したダイヤモンド半導体よりなるエミッタは、加熱をされ続けると、表面の水素が徐々に脱離し、これに伴って真空準位が次第に上昇するという問題がある。そのため、熱電子発電素子を連続して動作させると、次第にエミッタから熱電子が発生しにくくなるおそれがある。その結果、熱電子電流が減少し、発電効率が低下するおそれがある。   However, the emitter made of a diamond semiconductor whose surface is hydrogen-terminated has a problem that, as it continues to be heated, hydrogen on the surface gradually desorbs and the vacuum level gradually rises accordingly. For this reason, when the thermoelectric generator is continuously operated, there is a possibility that thermoelectrons are gradually less likely to be generated from the emitter. As a result, the thermionic current is reduced and the power generation efficiency may be reduced.

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、発電効率が高く、耐久性に優れた熱電子発電素子を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a thermionic power generation element having high power generation efficiency and excellent durability.

本発明の一態様は、熱電子を発生させるエミッタと、
該エミッタに対面して間隙を介して配置され、上記熱電子を収集するコレクタとを有し、
上記エミッタは、内部に水素を含有するダイヤモンド半導体よりなるとともに、該ダイヤモンド半導体の表面が水素終端されており、
上記エミッタを構成するダイヤモンド半導体は、水素濃度が1×10 20 cm −3 以上であることを特徴とする熱電子発電素子にある。
One embodiment of the present invention includes an emitter that generates thermal electrons;
A collector arranged to face the emitter via a gap and collect the thermal electrons,
The emitter is made of a diamond semiconductor containing hydrogen inside, and the surface of the diamond semiconductor is hydrogen-terminated ,
The diamond semiconductor constituting the emitter is in a thermionic power generation element having a hydrogen concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more .

上記熱電子発電素子は、内部に水素を含有するダイヤモンド半導体より構成され、表面が水素終端されているエミッタを有している。そのため、エミッタは、上述したように負の電子親和力(NEA)を有しており、熱電子を発生させやすいものとなる。これにより、上記熱電子発電素子は、発電効率に優れたものとなる。   The thermoelectric power generation element has an emitter which is made of a diamond semiconductor containing hydrogen inside and whose surface is terminated with hydrogen. Therefore, the emitter has a negative electron affinity (NEA) as described above, and is likely to generate thermal electrons. Thereby, the said thermoelectron power generation element becomes the thing excellent in power generation efficiency.

また、エミッタが水素を含有するダイヤモンド半導体より構成されているため、エミッタが加熱されると、水素がエミッタ内部から拡散し、表面に到達しやすくなる。そのため、エミッタ表面から水素が脱離した際に生じるダングリングボンドに対して、表面に到達した水素が結合することにより、エミッタ表面が再び水素終端された状態となりやすい。その結果、上記熱電子発電素子は、エミッタ表面が水素終端された状態をより長時間維持することができ、エミッタから発生する熱電子電流の減少を抑制しやすくなる。   Further, since the emitter is made of a diamond semiconductor containing hydrogen, when the emitter is heated, hydrogen diffuses from the inside of the emitter and easily reaches the surface. Therefore, hydrogen reaching the surface is bonded to dangling bonds generated when hydrogen is desorbed from the emitter surface, so that the emitter surface is likely to be in a hydrogen-terminated state again. As a result, the thermoelectric power generation element can maintain the state where the emitter surface is hydrogen-terminated for a longer time, and can easily suppress a decrease in the thermoelectron current generated from the emitter.

以上のように、本発明によれば、発電効率が高く、耐久性に優れた熱電子発電素子を提供できる。   As described above, according to the present invention, a thermionic power generation element having high power generation efficiency and excellent durability can be provided.

実施例における、熱電子発電素子の説明図。Explanatory drawing of the thermoelectric power generation element in an Example. 実施例における、エミッタのエネルギーバンドの説明図。Explanatory drawing of the energy band of the emitter in an Example. 実験例における、水素濃度を変化させて作製したエミッタの熱電子電流の大きさを示すグラフ。The graph which shows the magnitude | size of the thermoelectron current of the emitter produced by changing hydrogen concentration in an experiment example.

上記熱電子発電素子において、エミッタを構成するダイヤモンド半導体は、水素濃度が1×1020cm−3以上である。そのため、エミッタ内部の水素がより拡散しやすくなるため、水素がエミッタ表面に到達しやすくなる。これにより、水素の脱離により生じたダングリングボンドの水素終端がより起こりやすくなる。また、上記熱電子発電素子は、エミッタに含有される水素の量が十分多いため、エミッタ表面が水素終端された状態をより長時間維持することができる。その結果、上記熱電子発電素子は、エミッタから発生する熱電子電流の減少をより長期間に渡って抑制しやすく、より耐久性に優れたものとなる。なお、水素濃度が過度に高くなると、エミッタがダイヤモンド半導体としての性質を有さなくなるおそれがある。そのため、エミッタを構成するダイヤモンド半導体の水素濃度は1×1022cm−3以下であることが好ましい。
In the thermionic power generation element, the diamond semiconductor forming the emitter, the hydrogen concentration is Ru der 1 × 10 20 cm -3 or more. For this reason , the hydrogen inside the emitter is more easily diffused, so that the hydrogen easily reaches the emitter surface. As a result, hydrogen termination of dangling bonds caused by hydrogen desorption is more likely to occur. In addition, since the thermoelectron power generation element has a sufficiently large amount of hydrogen contained in the emitter, the state where the emitter surface is hydrogen-terminated can be maintained for a longer time. As a result, the thermoelectron power generation element can easily suppress a decrease in the thermoelectron current generated from the emitter for a longer period of time, and has excellent durability. If the hydrogen concentration is excessively high, the emitter may not have the properties of a diamond semiconductor. Therefore, the hydrogen concentration of the diamond semiconductor constituting the emitter is preferably 1 × 10 22 cm −3 or less.

また、エミッタを構成するダイヤモンド半導体は、種々の方法により得ることができるが、炭化水素ガス及び水素ガスを原料ガスとして用い、マイクロ波プラズマCVD法により形成することが好ましい。マイクロ波プラズマCVD法を用いて作製されるダイヤモンド半導体は、例えばDCプラズマCVD法やスパッタ法等の他の方法により得られるダイヤモンド半導体と比べて、内部により多くの水素を含有するものとなりやすい。そのため、この場合には、上記熱電子発電素子は、発電効率が高く、耐久性に優れたものとなりやすい。   The diamond semiconductor constituting the emitter can be obtained by various methods, but is preferably formed by a microwave plasma CVD method using a hydrocarbon gas and a hydrogen gas as a source gas. A diamond semiconductor manufactured using a microwave plasma CVD method tends to contain more hydrogen in the interior than a diamond semiconductor obtained by another method such as a DC plasma CVD method or a sputtering method. Therefore, in this case, the thermoelectric power generation element tends to have high power generation efficiency and excellent durability.

(実施例)
上記熱電子発電素子の実施例について、図1及び図2を用いて説明する。図1に示すように、熱電子発電素子1は、熱電子を発生させるエミッタ2と、エミッタ2に対面して間隙dを介して配置され、熱電子を収集するコレクタ3とを有している。エミッタ2は、内部21に水素を含有するダイヤモンド半導体よりなるとともに、ダイヤモンド半導体の表面22が水素終端されている。
(Example)
An example of the thermoelectric power generation element will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the thermoelectric generator 1 includes an emitter 2 that generates thermoelectrons, and a collector 3 that is disposed through a gap d so as to face the emitter 2 and collects thermoelectrons. . The emitter 2 is made of a diamond semiconductor containing hydrogen in the inside 21, and the surface 22 of the diamond semiconductor is hydrogen-terminated.

本例におけるエミッタ2は、水素濃度が1×1021cm−3のn型ダイヤモンド半導体よりなり、ドナーとして1×1020cm−3の窒素が添加されている。また、本例のエミッタ2は、モリブデンを基板23として用い、マイクロ波プラズマCVD法により基板23上に成膜されている(図1参照)。なお、後述するように、基板23は、外部負荷4をエミッタ2と電気的に接続するための電極を兼ねている。 Emitter 2 in this example, the hydrogen concentration is of n-type diamond semiconductor of 1 × 10 21 cm -3, nitrogen of 1 × 10 20 cm -3 is added as the donor. Further, the emitter 2 of this example is formed on the substrate 23 by microwave plasma CVD using molybdenum as the substrate 23 (see FIG. 1). As will be described later, the substrate 23 also serves as an electrode for electrically connecting the external load 4 to the emitter 2.

エミッタ2の成膜におけるマイクロ波プラズマCVD法の成膜条件は、以下の通りである。
・水素ガス流量:300sccm
・CHガス流量:3sccm
・Nガス流量:10sccm
・プラズマ出力:750W
・基板温度:800℃
・成膜時圧力:25Torr
The film formation conditions of the microwave plasma CVD method for forming the emitter 2 are as follows.
・ Hydrogen gas flow rate: 300sccm
・ CH 4 gas flow rate: 3 sccm
・ N 2 gas flow rate: 10 sccm
・ Plasma output: 750W
-Substrate temperature: 800 ° C
-Pressure during film formation: 25 Torr

また、基板23上にエミッタ2を成膜した後、その表面22に水素プラズマ処理を施し、表面22を水素化させる処理を行った。更に、水素プラズマ処理に続けて、エミッタ2を水素雰囲気中に置くことにより表面22を水素終端させる処理を行った。   Further, after forming the emitter 2 on the substrate 23, the surface 22 was subjected to hydrogen plasma treatment, and the surface 22 was hydrogenated. Further, following the hydrogen plasma treatment, the surface 22 was terminated with hydrogen by placing the emitter 2 in a hydrogen atmosphere.

コレクタ3を構成する材料は特に限定されないが、本例においては、内部31に水素を含有するn型ダイヤモンド半導体よりなり、ドナーとして1×1019cm−3の窒素が添加されているコレクタ3を用いている。また、本例のコレクタ3は、モリブデンを基板33として、マイクロ波プラズマCVD法により基板33上に成膜されている。なお、後述するように、基板33は、エミッタ2の基板23と同様に、外部負荷4をコレクタ3と電気的に接続するための電極を兼ねている。 Although the material which comprises the collector 3 is not specifically limited, In this example, the collector 3 which consists of an n-type diamond semiconductor which contains hydrogen in the inside 31, and nitrogen of 1 * 10 < 19 > cm < -3 > is added as a donor. Used. Further, the collector 3 of this example is formed on the substrate 33 by microwave plasma CVD using molybdenum as the substrate 33. As will be described later, the substrate 33 also serves as an electrode for electrically connecting the external load 4 to the collector 3 like the substrate 23 of the emitter 2.

エミッタ2とコレクタ3との間の間隙dの大きさは特に限定されることはないが、本例においては、間隙dが20〜30μm程度となるようにエミッタ2及びコレクタ3を配置している。また、エミッタ2とコレクタ3との間の空間は、1×10−5Pa以下に減圧された状態となっている。 The size of the gap d between the emitter 2 and the collector 3 is not particularly limited, but in this example, the emitter 2 and the collector 3 are arranged so that the gap d is about 20 to 30 μm. . The space between the emitter 2 and the collector 3 is in a state where the pressure is reduced to 1 × 10 −5 Pa or less.

次に、熱電子発電素子1の動作について説明する。熱電子発電素子1は、図1に示すように、エミッタ2の基板23とコレクタ3の基板33とを外部負荷4を介して接続し、この状態でエミッタ2を加熱することにより外部負荷4に電流を流すことができるよう構成されている。以下、加熱によりエミッタ2とコレクタ3との間に起電力を生じさせるメカニズムについて詳説する。   Next, the operation of the thermoelectric generator 1 will be described. As shown in FIG. 1, the thermoelectric generator 1 connects the substrate 23 of the emitter 2 and the substrate 33 of the collector 3 via an external load 4, and heats the emitter 2 in this state to connect the substrate 2 of the emitter 2 to the external load 4. It is comprised so that an electric current can be sent. Hereinafter, a mechanism for generating an electromotive force between the emitter 2 and the collector 3 by heating will be described in detail.

図2に、表面22が水素終端されているエミッタ2のエネルギーバンドの一例を示す。図2の縦方向の位置はエネルギー準位に対応しており、上方にある準位ほど高いエネルギー準位にあることを示している。また、表面22に対応する縦線200に対して左側にはエミッタ2の内部21のエネルギーバンドを示し、縦線200に対して右側には、真空準位201の位置を示している。   FIG. 2 shows an example of the energy band of the emitter 2 whose surface 22 is hydrogen-terminated. The position in the vertical direction in FIG. 2 corresponds to the energy level, and the higher level indicates the higher energy level. Further, the energy band of the inside 21 of the emitter 2 is shown on the left side with respect to the vertical line 200 corresponding to the surface 22, and the position of the vacuum level 201 is shown on the right side with respect to the vertical line 200.

図2に示すように、エミッタ2のエネルギーバンドは、真空準位201が伝導帯の下端202よりも低いエネルギー準位にある、負の電子親和力(NEA、矢印207参照)を有する状態となっている。そのため、エミッタ2を加熱することにより、価電子帯203やドナー準位204等から伝導帯に熱励起(矢印208参照)された電子205は、追加のエネルギーを必要とすることなく真空準位201へ遷移する(矢印209参照)。これは、熱電子がエミッタ2の表面22から外部空間へ放出されたことに対応する。   As shown in FIG. 2, the energy band of the emitter 2 has a negative electron affinity (NEA, see arrow 207) in which the vacuum level 201 is at a lower energy level than the lower end 202 of the conduction band. Yes. Therefore, when the emitter 2 is heated, the electrons 205 thermally excited to the conduction band from the valence band 203, the donor level 204, and the like (see the arrow 208) do not require additional energy, so that the vacuum level 201 is obtained. (See arrow 209). This corresponds to thermionic electrons being emitted from the surface 22 of the emitter 2 to the external space.

エミッタ2の表面22から外部空間へ放出された電子205は、エミッタ2とコレクタ3との間の間隙dを通過してコレクタ3に収集される。そして、図1に示すように、コレクタ3に収集された電子205は、コレクタ3の基板33から外部回路へ流れ出し(矢印101参照)、外部負荷4を通過してエミッタ2に還流する(矢印102参照)。   Electrons 205 emitted from the surface 22 of the emitter 2 to the external space pass through the gap d between the emitter 2 and the collector 3 and are collected by the collector 3. Then, as shown in FIG. 1, the electrons 205 collected by the collector 3 flow out from the substrate 33 of the collector 3 to the external circuit (see arrow 101), pass through the external load 4 and return to the emitter 2 (arrow 102). reference).

次に、本例の作用効果について説明する。熱電子発電素子1のエミッタ2を構成するダイヤモンド半導体は、表面22が水素終端されているとともに、内部21の水素濃度が1×1020cm−3以上である。そのため、熱電子発電素子1は、上述したように、発電効率が高く、耐久性に優れたものとなる。 Next, the function and effect of this example will be described. The diamond semiconductor constituting the emitter 2 of the thermoelectric power generation element 1 has a surface 22 terminated with hydrogen and a hydrogen concentration in the interior 21 of 1 × 10 20 cm −3 or more. Therefore, as described above, the thermoelectric power generation element 1 has high power generation efficiency and excellent durability.

また、エミッタ2は、窒素をドナーとして含有するn型ダイヤモンド半導体から構成されている。n型ダイヤモンド半導体のフェルミ準位206(図2参照)は、真性ダイヤモンド半導体のフェルミ準位と比べて伝導帯により近いエネルギー準位にある。そのため、真性ダイヤモンド半導体やp型ダイヤモンド半導体と比べて伝導帯への熱励起がより起こりやすい。その結果、熱電子発電素子1は、エミッタ2から発生する熱電子電流を大きくしやすく、発電効率により優れたものとなりやすい。   The emitter 2 is composed of an n-type diamond semiconductor containing nitrogen as a donor. The Fermi level 206 (see FIG. 2) of the n-type diamond semiconductor is at an energy level closer to the conduction band than the Fermi level of the intrinsic diamond semiconductor. Therefore, thermal excitation to the conduction band is more likely to occur compared to intrinsic diamond semiconductors and p-type diamond semiconductors. As a result, the thermionic power generation element 1 tends to increase the thermionic current generated from the emitter 2 and tends to be more excellent in power generation efficiency.

また、コレクタ3は、窒素をドナーとして含有するn型ダイヤモンド半導体から構成されている。これにより、p型ダイヤモンド半導体や真性ダイヤモンド半導体を用いる場合と比べて、エミッタ2の温度がより低い状態で発電を行うことが可能となる。   The collector 3 is composed of an n-type diamond semiconductor containing nitrogen as a donor. Thereby, compared with the case where a p-type diamond semiconductor or an intrinsic diamond semiconductor is used, it is possible to generate power with the emitter 2 at a lower temperature.

また、本例のコレクタ3は、エミッタ2と比べてドナーの濃度が1/10以下である。そのため、コレクタ3において熱励起される電子の数が、エミッタ2よりも十分に少なくなる。これにより、コレクタ3からエミッタ2へ向けて放出される熱電子の数が、エミッタ2からコレクタ3へ向けて放出される熱電子の数よりも十分に少なくなる。すなわち、熱電子発電素子1は、コレクタ3からエミッタ2へ熱電子が移動する、いわゆるバックエミッションを抑制でき、発電効率をより高くすることができる。   Further, the collector 3 of this example has a donor concentration of 1/10 or less as compared with the emitter 2. Therefore, the number of electrons thermally excited in the collector 3 is sufficiently smaller than that of the emitter 2. Thereby, the number of thermoelectrons emitted from the collector 3 toward the emitter 2 is sufficiently smaller than the number of thermoelectrons emitted from the emitter 2 toward the collector 3. That is, the thermionic power generation element 1 can suppress so-called back emission, in which thermoelectrons move from the collector 3 to the emitter 2, and can further increase power generation efficiency.

このように、熱電子発電素子1は、発電効率が高く、耐久性に優れたものとなる。   Thus, the thermoelectric power generation element 1 has high power generation efficiency and excellent durability.

なお、本例においては、エミッタ2の基板23とコレクタ3の基板33との双方にモリブデンを用いた例を示したが、これ以外の材質からなる基板を用いることも可能である。基板に採用可能な材質の例としては、シリコン半導体やダイヤモンド半導体等が挙げられる。また、半導体を基板として用いる場合には、不純物を含まない真性半導体を用いてもよく、p型半導体あるいはn型半導体を用いてもよい。エミッタ2の基板23とコレクタ3の基板33とは、同一の材質であってもよく、互いに異なる材質であってもよい。   In this example, molybdenum is used for both the substrate 23 of the emitter 2 and the substrate 33 of the collector 3. However, a substrate made of a material other than this may be used. Examples of materials that can be used for the substrate include silicon semiconductors and diamond semiconductors. When a semiconductor is used as a substrate, an intrinsic semiconductor that does not contain impurities may be used, or a p-type semiconductor or an n-type semiconductor may be used. The substrate 2 of the emitter 2 and the substrate 33 of the collector 3 may be made of the same material or different materials.

また、本例においては、コレクタ3をn型ダイヤモンド半導体から構成した例を示したが、エミッタ2から放出される熱電子を収集可能な材質であれば、これ以外の材質を用いることも可能である。コレクタ3の材質としては、例えば、種々の金属や真性半導体、p型半導体あるいはn型半導体を用いることができ、エミッタ2のフェルミ準位206の位置やドーパント濃度等に応じて適宜選択することができる。   In this example, the collector 3 is made of an n-type diamond semiconductor. However, other materials can be used as long as they can collect the thermoelectrons emitted from the emitter 2. is there. As the material of the collector 3, for example, various metals, intrinsic semiconductors, p-type semiconductors, or n-type semiconductors can be used, and can be appropriately selected according to the position of the Fermi level 206 of the emitter 2 and the dopant concentration. it can.

(実験例)
本例は、実施例におけるエミッタ2の水素濃度を変更して作製した各試料の耐久性を評価した例である。本例の試料(試料No.1〜No.5)は、実施例におけるエミッタ2の作製方法に準じて作製した。試料の作製方法の一例として、試料No.1及びNo.5の作製方法を示す。なお、試料No.2〜No.4については、下記の方法に準じて作製した。
(Experimental example)
In this example, the durability of each sample manufactured by changing the hydrogen concentration of the emitter 2 in the example was evaluated. Samples of this example (samples No. 1 to No. 5) were produced according to the production method of the emitter 2 in the examples. As an example of a sample preparation method, sample No. 1 and no. 5 shows a production method. Sample No. 2-No. About 4, it produced according to the following method.

・試料No.1
モリブデンを基板23として用い、CH、H及びNの混合ガスを原料としてマイクロ波プラズマCVD法によりn型ダイヤモンド半導体からなるエミッタ2を成膜した。この時の混合ガスの流量比は、CH/H=0.01、N/CH=1〜10とした。また、成膜時の基板温度は800〜1000℃とし、圧力は20〜50Torrとした。
・ Sample No. 1
The emitter 2 made of an n-type diamond semiconductor was formed by a microwave plasma CVD method using molybdenum as the substrate 23 and a mixed gas of CH 4 , H 2 and N 2 as a raw material. The flow rate ratio of the mixed gas at this time was CH 4 / H 2 = 0.01 and N 2 / CH 4 = 1 to 10. The substrate temperature during film formation was 800 to 1000 ° C., and the pressure was 20 to 50 Torr.

モリブデン上にエミッタ2を成膜した後、成膜装置から取り出すことなくHプラズマ処理を施し、表面22の水素化を行った。この時の基板温度は600℃とし、圧力は20〜50Torrとした。Hプラズマ処理の終了後、圧力50Torr以上のHガス雰囲気下に試料を置いた状態で100℃以下まで冷却して表面22を水素終端させた後、装置から試料を取り出した。これにより得られた試料No.1におけるエミッタ2の内部21の水素濃度は1×1021cm−3であった。 After depositing the emitter 2 on the molybdenum, the surface 22 was hydrogenated by performing H 2 plasma treatment without taking it out of the deposition apparatus. At this time, the substrate temperature was 600 ° C., and the pressure was 20 to 50 Torr. After the completion of the H 2 plasma treatment, the surface was cooled to 100 ° C. or lower by placing the sample in an H 2 gas atmosphere at a pressure of 50 Torr or higher to terminate the surface 22 with hydrogen, and then the sample was taken out from the apparatus. As a result, the sample No. The hydrogen concentration inside the emitter 2 in 1 was 1 × 10 21 cm −3 .

・試料No.5
マイクロ波プラズマCVD法に用いる原料の流量比をCH/H=0.005とした以外は、試料No.1と同一の作製条件及び作製手順により試料No.5を得た。これにより得られた試料No.5におけるエミッタ2の内部21の水素濃度は5×1019cm−3であった。
・ Sample No. 5
Except that the flow rate ratio of the raw materials used in the microwave plasma CVD method was changed to CH 4 / H 2 = 0.005, the sample No. The sample No. 1 was prepared under the same production conditions and production procedure as in Example 1. 5 was obtained. As a result, the sample No. The hydrogen concentration inside the emitter 2 at 5 was 5 × 10 19 cm −3 .

以上により得られた試料を700℃で加熱し、加熱開始から10分が経過した時点における熱電子電流の大きさを測定した。図3及び表1にその結果を示す。なお、試料の加熱及び熱電子電流の測定は、圧力1×10−5Torrの減圧環境下において行った。また、図3の縦軸には加熱開始から10分が経過した時点における熱電子電流の大きさを示し、横軸には各試料におけるエミッタ2の内部21の水素濃度を示した。 The sample obtained as described above was heated at 700 ° C., and the magnitude of the thermionic current at the time when 10 minutes had elapsed from the start of heating was measured. The results are shown in FIG. 3 and Table 1. The sample was heated and the thermoelectron current was measured in a reduced pressure environment at a pressure of 1 × 10 −5 Torr. In addition, the vertical axis of FIG. 3 shows the magnitude of the thermoelectron current when 10 minutes have elapsed from the start of heating, and the horizontal axis shows the hydrogen concentration inside the emitter 2 in each sample.

Figure 0006032128
Figure 0006032128

図3及び表1より知られるように、水素濃度が1×1020cm−3以上である試料No.1〜No.4は、700℃で10分間加熱を行った後も、十分大きな熱電子電流が流れた。 As known from FIG. 3 and Table 1, the sample No. 1 having a hydrogen concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more is used. 1-No. In No. 4, a sufficiently large thermoelectron current flowed even after heating at 700 ° C. for 10 minutes.

一方、試料No.5は、少なくとも700℃で10分間の加熱を行った後は、ほとんど熱電子電流が流れなかった。これは、700℃10分間の加熱が極めて過酷な試験条件だったためと考えられる。すなわち、試験条件をより低温にした場合において、水素を含有させないで作製した試料と試料No.5とを比較する際には、水素を含有しないものに比べて試料No.5の方が高い耐久性を示すものと考えられる。   On the other hand, sample No. In No. 5, thermionic current hardly flowed after heating at 700 ° C. for 10 minutes. This is probably because heating at 700 ° C. for 10 minutes was an extremely severe test condition. That is, when the test conditions are lower, the sample prepared without containing hydrogen and the sample No. When comparing the sample No. 5 with the sample no. No. 5 is considered to show higher durability.

1 熱電子発電素子
2 エミッタ
21 内部
22 表面
3 コレクタ
d 間隙
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermionic power generation element 2 Emitter 21 Inside 22 Surface 3 Collector d Gap

Claims (5)

熱電子を発生させるエミッタ(2、21、22)と、
該エミッタ(2、21、22)に対面して間隙を介して配置され、上記熱電子を収集するコレクタ(3、31)とを有し、
上記エミッタ(2、21、22)は、内部(21)に水素を含有するダイヤモンド半導体よりなるとともに、該ダイヤモンド半導体の表面(22)が水素終端されており、
上記エミッタ(2、21、22)を構成するダイヤモンド半導体は、水素濃度が1×10 20 cm −3 以上であることを特徴とする熱電子発電素子(1)。
Emitters (2, 21, 22) for generating thermal electrons;
A collector (3, 31) arranged to face the emitter (2, 21, 22) via a gap and collect the thermal electrons,
The emitter (2, 21, 22) is made of a diamond semiconductor containing hydrogen inside (21), and the surface (22) of the diamond semiconductor is hydrogen-terminated ,
The thermoelectric power generating element (1) , wherein the diamond semiconductor constituting the emitter (2, 21, 22) has a hydrogen concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more .
上記エミッタ(2、21、22)を構成するダイヤモンド半導体は、n型ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項1に記載の熱電子発電素子(1)。 The thermionic power generation element (1) according to claim 1 , wherein the diamond semiconductor constituting the emitter (2, 21, 22) is an n-type diamond semiconductor. 上記エミッタ(2、21、22)を構成するダイヤモンド半導体は、窒素、リン、硫黄またはリチウムのいずれかをドナーとして含有するn型ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項2に記載の熱電子発電素子(1)。 3. The thermoelectrons according to claim 2 , wherein the diamond semiconductor constituting the emitter (2, 21, 22) is an n-type diamond semiconductor containing any one of nitrogen, phosphorus, sulfur and lithium as a donor. Power generation element (1). 上記エミッタ(2、21、22)を構成するダイヤモンド半導体は、炭化水素ガス及び水素ガスを原料ガスとして用い、マイクロ波プラズマCVD法により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電子発電素子(1)。 Diamond semiconductor constituting the emitter (2,21,22) is claim, characterized in that using a hydrocarbon gas and hydrogen gas as a source gas, and is formed by a microwave plasma CVD method 1-3 The thermoelectric power generation element (1) according to any one of the above. 上記コレクタ(3、31)を構成するダイヤモンド半導体は、n型ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電子発電素子(1)。 The thermoelectric generator (1) according to any one of claims 1 to 4 , wherein the diamond semiconductor constituting the collector (3, 31) is an n-type diamond semiconductor.
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