課題番号 ：S-17-OS-0025
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：ナノ構造の導入による高性能熱電材料の開発
Program Title (English)　：Development of high performance thermoelectric materials using nanostructures
利用者名（日本語） ：留田　純希, 中村　芳明, 渡辺　健太郎, 石部　貴史, 坂根　駿也, 谷口　達彦, 奥畑　亮,安岡　晃太, 寺田　吏, 松本　武司, 近田　尋一朗, 雛川　貴弘, 湯川　由梨
Username (English) ：A. Tomeda, Y. Nakamura, K. Watanabe, T. Ishibe, S. Sakane, T. Taniguchi, R. Okuhata, K. Yasuoka, T. Terada, T. Matsumoto, J. Chikada, T. Hinakawa, Y. Yukawa
所属名（日本語） ：大阪大学　大学院基礎工学研究科　システム創成専攻
Affiliation (English) ：Dep. Systems Innovation, Grad. School Engineering Science, Osaka University
キーワード／Keyword　　　 ：PLD, ZnO, SnO2, Thermoelectric materials

１．概要（Summary）
我々は、大気中で安定であり、可視光領域で透明なZnOに注目し、透明熱電材料の開発に取り組んでいる。ZnOは、透明材料の中で比較的高い出力因子 (S2)を有するため、注目されているが、実用化には不十分であることが問題である。近年、ナノ構造導入により、界面散乱を制御することで、S2を増大できることが報告された。本研究では、多結晶ZnO系薄膜を作製し、その結晶粒径と熱電特性の関係を明らかにした。
２．実験（Experimental）
【利用した主な装置】
S01 パルスレーザーMBE装置(PLD)（誠南工業　PLO-020R）
S17 接触式膜厚測定器　（BRUKER　Dektak-XT）
【実験方法】
PLD法を用いて、基板温度: 325℃、酸素分圧: 0.2 Paの条件で、石英ガラス基板とSi基板上にGa-doped ZnO (GZO)薄膜を成膜した。この時、レーザーの条件は、周波数: 10 Hz、エネルギー: 60 mJと設定した。PLDターゲットはZnO(99.999%)、Ga2O3(99.99%)粉末を圧縮形成し、焼結することで作製した。結晶粒径比較のため、Sol-gel法で成膜した、結晶粒径の異なるGZO薄膜を用意した。
３．結果と考察（Results and Discussion）
Fig. 1 (a)と(b)はそれぞれSol-gel法とPLD法で作製したGZO薄膜の表面のSEM像である。PLDで作製した試料はSol-gel法で作製した試料よりも粒径が小さく緻密な膜ができていることが分かる。低キャリア密度領域(~ 1×1019 cm-3)では、電子の平均自由工程が長いため、電子は結晶界面の影響を受けやすい。このため、結晶粒径が大きく、電子移動度が高いSol-gel-GZO薄膜のほうがPLD-GZO薄膜よりも、高いS2を示した。
一方、高キャリア密度(~ 1×1020 cm-3)では、結晶粒径の影響は小さいため、高結晶性で欠陥の少ないPLD-GZO薄膜において、高いS2を示し、結果、BulkのGZOと同等のパワーファクターを達成した。

Fig. 1 SEM images of as-grown GZO films formed (a) by sol-gel or (b)　by PLD method. (c) S2 of GZO films as a function of n.

４．その他・特記事項（Others）
「なし。」
５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) 留田 純希 他 『2017年秋季応用物理学会』、5p-A503-6、福岡、2017年9月5日（発表日）
(2) 石部　貴史 他 『2017年秋季応用物理学会』、5p-A503-7、福岡、2017年9月5日（発表日）
(3) A. Tomeda, et al., ICT, California, USA, July (2017).
(4) A. Tomeda, et al., IUMRS-ICAM, Kyoto, Japan, August (2017).
６．関連特許（Patent）　
「なし。」