JPWO2014167697A1 - 熱電変換素子 - Google Patents
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Abstract
Description
ZT=PF・T/κ (式1)
で与えられる性能指数ZTの値が限られてしまう。ただし式1においてTは絶対温度、PFはSrTiO3のパワーファクタ、κはSrTiO3の熱伝導率である。
PF=S2σ (式2)
で与えられることから、ゼーベック係数Sの値および電気伝導度σを増大させるのが効果的である。
11 真空容器
11A 排気ポート
11B プラズマガス導入ポート
12 ターゲット
12A ターゲット保持台
12B 高周波電源
12D ドーパント金属片
13 被処理基板
13A 基板保持台
20 熱電変換素子
21 SrTiO3基板
22 エネルギフィルタ
22A SrZrTiO3膜
22B SrTiO3膜
23A,23B 出力電極
24 ペロブスカイト積層体
31 モールド
31A 凹部
31B 封止樹脂
31b 開口部
図1は、第1の実施形態による熱電変換素子20の構成を示す断面図である。
で与えられる。非特許文献2を参照。ここでqはキャリア電荷、Tは温度、EFはフェルミ準位、σ(E)はエネルギEのキャリアの伝導度、T(E)は透過係数、M(E)は導電チャネルの数、hはプランク定数、f(E)はエネルギEにおけるフェルミディラック分布関数である。上記表現は、バリスティック伝導および拡散伝導の両者に対して有効である。バリスティック伝導の場合、T(E)=1となる。
σ=GA/l
と表される。 ここでAは素子の断面積であり、lは素子長である。
式3,式4を見ると、ゼーベック係数Sを規定する積分の核にE−EFの項が含まれているのがわかる。このため前記式3におけるゼーベック係数Sの積分を伝導帯ECの下端から上端まで行うと、エネルギEがフェルミ準位EFよりも低い範囲での積分とエネルギEがフェルミ準位EFよりも高い範囲での積分が大部分相殺してしまい、SrTiO3単結晶の場合潜在的に大きなゼーベック係数Sが得られるはずのところ、実際には小さなゼーベック係数Sしか得られないことがわかる。
図3を参照するに、ゼーベック係数Sはドープレベルが1.3×1021cm-3,3.9×1021cm-3,7.7×1021cm-3,14×1021cm-3である場合について求められているが、いずれのドープレベルであっても、バンドオフセット量ΔΦが0eV、すなわちエネルギフィルタリングを行わない場合には、ゼーベック係数Sの値はほとんどゼロに等しいのがわかる。これに対し、バンドオフセット量ΔΦを増加させるとゼーベック係数Sの絶対値は一般的に増大する傾向を示す。
Claims (17)
- SrとTiを含み、n型にドープされて導電性を有するペロブスカイト型誘電体基板と、
前記ペロブスカイト型誘電体基板の上面に形成され、SrとTiを含みn型にドープされて導電性を有し、前記ペロブスカイト型誘電体基板の伝導帯よりも高いエネルギレベルに伝導帯を有する第1のペロブスカイト型誘電体膜を少なくとも含むエネルギフィルタと、
前記ペロブスカイト型誘電体基板の下面に電気的に接続されて形成された第1の電極と、
前記エネルギフィルタの上面に電気的に接続されて形成された第2の電極と、
を備え、
前記ペロブスカイト型誘電体基板と前記エネルギフィルタとは0.25mmを超えない厚さのペロブスカイト積層体を構成し、
前記エネルギフィルタの上面が第1の温度に曝され前記ペロブスカイト型誘電体基板の下面が第2の温度に曝されることにより、前記第1の電極と前記第2の電極の間に電圧を生じることを特徴とする熱電変換素子。 - 前記ペロブスカイト型誘電体基板は0.1mmを超えない厚さを有することを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型誘電体基板の膜厚は、0.05nmを下回らないことを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記エネルギフィルタは、1nm〜1000nmの範囲の膜厚を有することを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型誘電体基板および前記エネルギフィルタは支持基体中に保持されており、前記ペロブスカイト型誘電体基板の下面は前記支持基体の下面と一致することを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記第1のペロブスカイト型誘電体膜は、前記ペロブスカイト型誘電体基板に対しポテンシャル障壁を形成することを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記エネルギフィルタはさらに前記第1のペロブスカイト型誘電体膜上に、SrとTiを含みn型にドープされて導電性を有し、前記第1のペロブスカイト型誘電体膜の伝導帯よりも低いエネルギレベルに伝導帯を有する第2のペロブスカイト型誘電体膜を含むことを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記エネルギフィルタ中において前記第1および第2のペロブスカイト型誘電体膜は交互に繰り返し積層されることを特徴とする請求項7記載の熱電変換素子。
- 前記第2のペロブスカイト型誘電体膜は、前記ペロブスカイト型基板と同一の組成を有することを特徴とする請求項7記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型基板および前記第1および第2のペロブスカイト型誘電体膜はLaによってドープされていることを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型基板および前記第1および第2のペロブスカイト型誘電体膜はNbによってドープされていることを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型基板および前記第1および第2のペロブスカイト型誘電体膜はLaおよびNbによってドープされていることを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記ペロブスカイト型基板および前記第1および第2のペロブスカイト型誘電体膜は酸素欠損によりドープされていることを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子。
- SrとTiを含み、n型にドープされて導電性を有するペロブスカイト型誘電体基板と、前記ペロブスカイト型誘電体基板の上面に形成され、SrとTiを含みn型にドープされて導電性を有し、前記ペロブスカイト型誘電体基板の伝導帯よりも高いエネルギレベルに伝導帯を有する第1のペロブスカイト型誘電体膜を少なくとも含むエネルギフィルタとよりなる構造体を、支持基体中に、前記構造体中におけるペロブスカイト型誘電体基板の底面が前記支持基体の底面に対応する向きで埋設する工程と、
前記支持基体の底面を、前記構造体ごと研磨することにより、前記ペロブスカイト型誘電体基板の底面を化学機械研磨し、前記ペロブスカイト型誘電体基板と前記エネルギフィルタよりなるペロブスカイト積層体の厚さを、0.25mmを超えない厚さまで減少させる工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。 - さらに前記支持基体の上面に、前記構造体中における前記エネルギフィルタの上面を露出する開口部を形成する工程と、
前記ペロブスカイト型誘電体基板の底面および前記エネルギフィルタの上面に、それぞれ第1の電極および第2の電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項14記載の熱電変換素子の製造方法。 - 前記支持基体は耐熱性樹脂であり、前記構造体を前記支持基体中に埋設する工程は、モールド中に前記構造体を、前記ペロブスカイト型誘電体基板の底面が前記モールドの底面に接するように配置する工程と、前記モールド中に前記耐熱性樹脂を溶融した状態で注入する工程と、を含むことを特徴とする請求項14記載の熱電変換素子の製造方法。
- 前記ペロブスカイト型誘電体基板の底面を化学機械研磨する工程は、前記ペロブスカイト型誘電体基板の膜厚が0.05mmを下回らないように実行されることを特徴とする請求項14記載の熱電変換素子の製造方法。
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