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Jul 28, 2023

フォノンに由来するゼーベック係数の決定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13463 (2023) この記事を引用 168 アクセス メトリクスの詳細 フォノンドラッグ効果は、熱電性能、特に熱電性能の向上に役立ちます。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13463 (2023) この記事を引用

168 アクセス

メトリクスの詳細

フォノンドラッグ効果は、熱電性能、特にゼーベック係数の向上に役立ちます。 そこで、キャリア密度の異なるSi単結晶のフォノンおよび電子輸送特性を調査し、これらの特性とフォノンドラッグ効果との関係を明らかにした。 フォノン輸送特性は、ナノインデンテーションおよびスポット周期加熱放射温度測定を使用して決定されました。 電子輸送特性は、Siの導電率に基づいて決定されました。 電子輸送特性から導出された拡散ゼーベック係数は、以前の報告とよく一致しました。 ただし、フォノンの輸送特性から導出されるフォノンドラッグゼーベック係数の値は非常に低いです。 この現象は、通常の平均自由行程 (MFP) を持つフォノンがゼーベック係数の増加に寄与しないことを示唆しています。 ただし、MFP が長く、周波数が低いフォノンは、フォノンドラッグ効果によってゼーベック係数を増加させます。 さらに、フォノンドラッグ効果は、300 K および高濃度ドープ領域でも十分に顕著でした。 これらの機能は、フォノンドラッグ効果によって性能が向上した熱電材料を設計する際の鍵となります。

エネルギーハーベスティングの観点からは、制御可能な熱伝達特性を備えた材料の需要が高まっているため、フォノンエンジニアリングが大きな注目を集めています1、2、3、4、5。 この実現には理論解析が不可欠であり、フォノン輸送の詳細なメカニズムを理解することは材料開発の有効な戦略となります。 近年、多くの研究がシミュレーションを通じてフォノン輸送を分析していますが、これらの結果を実験的に評価することも同様に重要です。

熱エネルギーを利用する一部の材料では、電子輸送も材料の性能に影響を与えます。 特に熱電変換材料では、キャリア密度が電子輸送に重要な役割を果たします9,10,11。 熱電材料は、温度差による電荷キャリアの移動によりゼーベック係数に比例した熱電電力を生成します。 理想的な熱電材料は、高い電気伝導率と低い熱伝導率の両方を示します。 ただし、顕微鏡的には、フォノンとキャリア間の相互作用がこれらの伝導性に強く影響します。

フォノン抗力効果の理論的分析も、低熱伝導率と高電気伝導率を備えた材料を開発するために実施されました 12,13。 一般に、フォノンドラッグは、低温環境や高純度材料など、長いフォノン平均自由行程（MFP）が発生しやすい条件でよく観察される現象です。 しかし、Si および Si ベースの合金は、室温でもフォノン抗力効果に起因する比較的高いゼーベック係数を示すことが報告されています 14、15、16。 したがって、熱電性能を向上させるには、さまざまなキャリア密度でのフォノン/電子輸送特性と、それらがフォノンドラッグ効果に及ぼす影響を研究する必要があります。

本研究では、結晶粒界がなく完全に配向しており、キャリア密度を容易に変化させることができるため、リンのドーピング量が異なるSi単結晶を使用しました。 フォノン輸送特性を評価するために、ナノインデンテーションと熱伝導率の測定を使用して、さまざまな材料の群速度とフォノンMFPを決定しました17、18。 同じ手法を使用して、Si 単結晶の結晶配向への影響を調査しました 19。 したがって、この技術は、さまざまなキャリア密度での Si 単結晶のフォノン輸送を評価するために使用できます。 電子輸送特性は、Si単結晶の導電率の測定値から得られました。 キャリア密度とフォノン/電子輸送特性との関係を調べた。 最後に、フォノン/電子輸送特性に基づいてフォノンドラッグ現象を調査しました。 この研究の新しい発見は、通常の平均自由行程 (MFP) を持つフォノンはゼーベック係数の増加に寄与しないのに対し、長い MFP を持つフォノンはフォノンドラッグ効果によってゼーベック係数を増加させるということです。 さらに、フォノンドラッグ効果は、300 K および高濃度ドープ領域でも十分に顕著でした。 これらの成果は、フォノンドラッグ効果から得られる性能が向上した熱電材料の設計にとって重要です。