WO2017002514A1 - 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
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Abstract
Description
熱電材料は、温度差(熱エネルギー)を電気エネルギーに変換するものであり、その変換効率ηは次式(1)で与えられる。
本開示によれば、ナノ粒子を含む熱電材料において、より優れた熱電特性を実現することができる。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(式(1)中、Xmはナノ粒子の平均粒径(単位はnm)を表し、cは熱電材料における第2の材料の原子濃度(単位は原子%)を表す。Aは0.5≦A≦2.5を満たし、Bは0≦B≦4.2を満たす。)
(3)上記(1)または(2)に係る熱電材料において好ましくは、ナノ粒子は、粒間隔が0.1nm以上3nm以下である。
Gm=Xm(η-1/3-1) ・・・(3)
(式(2)および(3)中、Xmはナノ粒子の平均粒径(単位はnm)を表し、Gmはナノ粒子の平均粒間隔(単位はnm)を表し、rは組成比を表し、ηは結晶化率(単位は%)を表す。Cは-70≦C≦-35を満たし、Dは60≦D≦120を満たす。)
(5)上記(4)に係る熱電材料において好ましくは、第1の元素はGeであり、第2の元素はSiであり、第2の材料はAu、Cu、BまたはAlである。第1の元素に対する第2の元素の組成比、すなわち、Geに対するSiの組成比(Si/Ge)は0.16以上である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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番号を付し、その説明は繰り返さない。
1.熱電材料の構成
最初に、第1の実施の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の実施の形態に係る熱電材料の製造方法を説明する。
本実施の形態に係る製造方法により形成されるナノ粒子の粒径Xは、第1層42の厚み、第2層46の厚み、積層体に含まれる異種元素の組成、積層体のアニール処理の条件等によって制御することができる。本実施の形態では、ナノ粒子の粒径Xを、異種元素であるAuの組成によって制御するものとする。
さらに、本実施の形態に係る製造方法により形成されるナノ粒子の粒間隔Gは、熱電材料の結晶化率ηによって制御することができる。熱電材料の結晶化率ηとは、アモルファスSiGe、アモルファスGe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。
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。
(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SiおよびGeの組成比(Si/Ge)の制御について検討を進めた結果、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の実施の形態では、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の実施の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の実施の形態では、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。
実施の形態5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光センサの構成を説明する。
Claims (12)
- バンドギャップを有する第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、
前記熱電材料における前記第2の材料の組成は、前記熱電材料の0.01原子%以上2.0原子%以下である、熱電材料。 - 前記ナノ粒子は、粒径が0.1nm以上5nm以下である、請求項1に記載の熱電材料。
- 前記ナノ粒子は、粒間隔が0.1nm以上3nm以下である、請求項2に記載の熱電材料。
- 前記第1の材料は、第1の元素および第2の元素を含み、
前記第1の元素は、前記第2の元素に比べて、前記第2の材料と合金化するときの融点が低く、かつ、
前記第1の元素に対する前記第2の元素の組成比は1.5以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の熱電材料。 - 前記第1の元素はGeであり、
前記第2の元素はSiであり、
前記第2の材料はAu、Cu、BまたはAlであり、
前記組成比は0.16以上である、請求項4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5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5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5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5のいずれか1項に記載の熱電材料を含む、光センサ。 - バンドギャップを有する第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1の材料は、第1の元素と、第2の元素とを含み、
前記第1の元素は、前記第2の元素に比べて、前記第2の材料と合金化するときの融点が低く、
前記熱電材料の製造方法は、前記第2の材料と前記第1の元素とを含む第1層と、前記第2の元素を含み前記第2の材料を含まない第2層とを交互に積層する工程を備え、
前記熱電材料における前記第2の材料の組成は、前記熱電材料の0.01原子%以上2.0原子%以下である、熱電材料の製造方法。 - 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10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11に記載の熱電材料の製造方法。
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