世界最小熱伝導率の結晶シリコン材料の実現

世界最小熱伝導率の結晶シリコン材料の

実現

～革新的廃熱発電にむけた熱電変換材料

へ～

平成２６年１２月１０日

科学技術振興機構（ＪＳＴ）

大阪大学

詳細は、リンクを参照して下さい。

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ポイント

〇安価で環境に調和した高性能の

　熱電変換材料が必要とされている。

〇ありふれた元素であるシリコン（Ｓｉ）

　のナノドット結晶を用いて、熱伝導率を

　巨視的なサイズの結晶Ｓｉの

　約1/200に低減することに成功した。

〇パソコンなどから排出される低温度廃熱

　を、電気エネルギーとして再利用する

　熱電変換素子と電子素子を同時に

　組み込んだ材料の開発が期待できる。

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概要

　JST戦略的創造研究推進事業において、

大阪大学 大学院基礎工学研究科の

中村 芳明　准教授らは、極小なナノドット

結晶注１）を結晶方位注２）をそろえて

連結した材料を形成する技術を開発

しました。

　本技術によって、電気伝導率の悪化を

抑えながら、熱伝導率を巨視的なサイズ

の結晶であるバルクＳｉの約１／２００

まで低減することに成功し、世界最小値

を得ました。

　廃熱エネルギーを電気エネルギーとして

再利用するための熱電変換材料には、

従来、レアメタルであったり、毒性を

持ったりすることの多い重い元素を含んだ

材料が使われており、より安価で環境に

低負荷な材料が求められていました。

　中村准教授は、ナノドット結晶を結晶方位

をそろえて連結することで、高い電気伝導率

で低い熱伝導率という熱電変換の高性能化に

必要な特性を、レアメタルを使わずに実現

しました。

　このようなナノドット構造は従来法では

作製が不可能でしたが、独自に開発した

ナノドット形成技術を応用することで、

電気伝導率の悪化を適切に抑え、

熱伝導率をバルクＳｉの約１／２００まで

低減することが可能となり、さらに

Ｓｉの熱伝導率の世界最小値を得ることに

成功しました。

　この結果は、地球上にありふれた、

環境調和性の高いユビキタス元素注３）

であるＳｉを用いた高性能の熱電変換材料

実現の可能性を示しています。

　優れた電子素子材料であるＳｉが、

高い熱電変換機能を持つことができれば、

電子素子材料と熱電変換材料を融合した

素子が作製でき、パソコンやサーバー

から排出される廃熱を電気エネルギー

として再利用することができます。

　これは、将来迎えるといわれる

センサーネットワーク注４）社会において、

さまざまな場所に配置されるセンサー

などに組み込まれる電子素子への

エネルギー供給問題解決への糸口になる

ものと考えられます。

　本研究は、大阪大学 大学院基礎工学

研究科の吉川 純　助教

（現ＮＩＭＳ主任研究員）、

酒井 朗　教授、東京大学の塩見 淳一郎　

准教授、アルバック理工の池内 賢朗　

博士の支援を得て行いました。

　本研究成果は、２０１４年１２月１０日

（英国時間）に「Ｎａｎｏ　Ｅｎｅｒｇｙ」

のオンライン速報版で公開されます。

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　革新的廃熱発電にむけた熱電変換材料

開発への大きな一歩になるのかな？

＞このＳｉナノドット結晶材料をベース

＞として、今後、キャリアの濃度制御など

＞のさらなる最適化をすることで、

＞極めて小さい熱伝導率を持ったまま、

＞より大きい電気伝導率と

＞大きいゼーベック係数を得ることが

＞期待できます。

＞この研究が成功すれば、ナノ構造を

＞用いた熱電変換高性能化の方法論が

＞構築されることになり、Ｓｉ以外の

＞さまざまな材料の高性能化への応用が

＞期待できます。

＞また、ナノ構造を用いた熱電変換

＞高性能化が成功すれば、Ｓｉという

＞ユビキタス元素を用いた熱電変換材料

＞が実現可能となり、熱電変換材料の

＞社会普及につながることが期待されます。

　まだ実現は先のようですが、期待して

待ちたいと思います。