課題番号                ：S-19-OS-0033

利用形態                ：機器利用

利用課題名（日本語）    ：酸化亜鉛を用いた高熱電性能ナノ構造開発

Program Title (English) ：Development of high-thermoelectric performance nanostructure using ZnO

利用者名（日本語）      ：谷口　達彦, 中村　芳明, 石部　貴史, 坂根　駿也, 寺田　吏, 雛川　貴弘, 塩田　拓哉, 上松　悠人, 小松原　祐樹,  金子　達哉,　細田　凌矢,　蘆田　湧一,　片山　虎之介,　北浦　怜旺奈,　佐藤　健人,　本田　悠成,　水田　光星

Username (English)     ： T. Taniguchi, Y. Nakamura, T. Ishibe, S. Sakane, T. Terada, T. Hinakawa, T. Shiota, Y. Uematsu, Y. Komatsubara, T. Kaneko, R. Hosoda, Y. Ashida, T. Katayama, R. Kitaura, K. Sato, Y. Honda, K. Mizuta

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. System Innovation,  Grad. School of Engineering Science, Osaka University

１．概要（Summary ）

良環境調和性をもち、可視光領域で透明な材料として知られる酸化亜鉛 (ZnO)は、酸化物の中で比較的高い熱電出力因子を示すことが報告されており、透明熱電材料として期待できる。しかし、熱伝導率が高いため、熱電性能は低い。そこでエピタキシャルZnO超格子薄膜を提案する。本超格子では、コヒーレントな電子伝導による出力因子維持、及び界面フォノン散乱による熱伝導率低減が期待される。また、参照用としてZnO薄膜を作製し、超格子薄膜の熱電性能と比較することで、超格子薄膜が高性能熱電材料として有効であることを実証する。

２．実験（Experimental）

【利用した主な装置】

S01パルスレーザーMBE装置（PLD)

【実験方法】

PLD法（レーザーエネルギー: 50 mJ、周期: 10 Hz）を用いて、基板温度: 400ºC、酸素分圧: 1 Paにて、R面サファイア基板上にMg-doped ZnO (MgZnO)、Al-doped ZnO (AZO)を交互に積層し、超格子薄膜を形成した。

３．結果と考察（Results and Discussion）

Fig. 1(a)は、R面サファイア基板上に成長させたAZO/MgZnO超格子薄膜の断面BSE 像である。狙い通り、AZOとMgZnOがそれぞれ30 nm、10nmで積層されていることを確認した。XRDの2q–w測定より、R面サファイア基板上の超格子薄膜は、(112(-)0)配向しており（Fig. 1(b)）、さらに極点図測定により、その超格子薄膜はエピタキシャル成長していることが確認された。熱電特性を評価したところ、超格子薄膜は、ZnO薄膜単体と同程度の移動度を示した。また、熱伝導率測定を行ったところ、超格子は単層薄膜よりも5倍程度低い熱伝導率を示した。これは超格子のAZO/MgZnO界面でフォノンが散乱されたためと考えられる。今後、組成・膜厚の調整を行い、さらなる熱電性能向上を目指す。

Figure 1(a) Cross-sectional BSE-SEM image and (b) XRD 2θ–ω spectra of epitaxial AZO/MgZnO superlattice/r-plane sapphire.

４．その他・特記事項（Others）

「なし。」

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）

「なし。」

６．関連特許（Patent）

「なし。」