IoT機器駆動に向けた微細化熱電素子を開発

~半導体微細加工でIoT機器駆動に必要な0.5 Vの壁を克服~

2022.06.23


国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人産業技術総合研究所
国立大学法人筑波大学

NIMS、国立研究開発法人産業技術総合研究所、国立大学法人筑波大学の研究グループは、熱電変換物質の薄膜試料に半導体微細加工を施すことにより、多数のπ接合からなる熱電素子の作製に成功し、IoT機器の駆動に必要な目安となる0.5 V以上の出力電圧を実現しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) 、国立研究開発法人産業技術総合研究所 (産総研) 、国立大学法人筑波大学の研究グループは、熱電変換物質の薄膜試料に半導体微細加工を施すことにより、多数のπ接合からなる熱電素子の作製に成功し、IoT (Internet of Things) 機器の駆動に必要な目安となる0.5 V以上の出力電圧を実現しました。
  2. IoT機器や電子素子の駆動電源として熱電変換モジュールを用いるためには、これらの一体化が必要となります。これまでバルク材料を用いた熱電変換モジュールが主流でしたが、モジュールの微小化や周辺電子素子との集積化に課題を抱えていました。熱電モジュール・素子は、一般的に小型化・微小化に伴いその出力電圧は低下し、その向上には多数のπ接合の形成が必要です。本研究では、多数の微小なπ接合を高い精度で作ることができる半導体微細加工技術により、熱電素子を試作しました。
  3. 本研究チームは、微小化に伴う出力電圧の低下を抑えるために、高い熱起電力と低い電気抵抗を示すMg2Sn0.8Ge0.2をp型層として用い、n型層形成には室温薄膜形成が必要であることからビスマス (Bi) を用いて、半導体微細加工技術により高密度な平面π型熱電素子を作製しました。この熱電素子は、多数の微小なπ接合 (36接合) を作りつけることにより、IoT機器の駆動の目安となる0.5 V以上の出力電圧を実現しました。
  4. 本研究成果により熱電素子の微細化・微小化が可能になり、他の電子素子と融合することで、IoT機器等の新しい電子機器・素子の開発が期待されます。
  5. 本研究は、科学技術振興機構 (JST) 未来社会創造事業 研究課題「磁性を活用した革新的熱電材料・デバイスの開発 (研究開発代表者 : 森 孝雄) 」 (No. JPMJMI19A1) 等の一環として行われました。
  6. 研究成果は、2022年6月18日に、「Materials Today Energy」にオンライン掲載されました (URL: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101075) 。本発表の図の一部は原論文から引用し改変しています。

「プレスリリース中の図 : (a) π接合の拡大図, (b) 半導体微細加工を用いて作製した熱電素子の写真」の画像

プレスリリース中の図 : (a) π接合の拡大図, (b) 半導体微細加工を用いて作製した熱電素子の写真



掲載論文

題目 : Miniaturized in-plane π-type thermoelectric device composed of a II–IV semiconductor thin film prepared by microfabrication
著者 : Isao Ohkubo(NIMS), Masayuki Murata(産総研), Mariana S. L. Lima(筑波大), Takeaki Sakurai(筑波大), Yuko Sugai(NIMS), Akihiko Ohi(NIMS), Takashi Aizawa(NIMS), Takao Mori(NIMS)
雑誌 : Materials Today Energy
掲載日時 : 2022年6月18日, オンライン
DOI : 10.1016/j.mtener.2022.101075


お問い合わせ先

(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (WPI-MANA)
ナノマテリアル分野 熱エネルギー変換材料グループ
主幹研究員
大久保 勇男 (おおくぼ いさお)
〒305-0044 茨城県つくば市並木1-1
TEL: 029-860-4761
E-Mail: OHKUBO.Isao=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
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FAX: 029-859-2017
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国立研究開発法人 産業技術総合研究所
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国立大学法人筑波大学
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