JP2012253178A - Thermoelectric conversion element, method for manufacturing the same, and thermoelectric conversion module - Google Patents

Thermoelectric conversion element, method for manufacturing the same, and thermoelectric conversion module Download PDF

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Kenji Hirose
賢二 広瀬
Akihiro Kirihara
明宏 桐原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric conversion element having high thermoelectric conversion efficiency, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: The thermoelectric conversion element comprises a semiconductor material, i.e., a thermoelectric conversion material, at least one nanowire electrically connected to the semiconductor material, and an electrode electrically connected to the nanowire. The nanowire comprises a semiconductor base material and a dopant deposited on a surface of the semiconductor base material.

Description

本発明は、熱を電気に変換する熱電変換素子及びその製造方法に関する。また、本発明は、当該熱電変換素子を有する熱電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element that converts heat into electricity and a method for manufacturing the same. Moreover, this invention relates to the thermoelectric conversion module which has the said thermoelectric conversion element.

近年、Bi、Te、Pbなどの重金属を熱電変換素子に用いて、巨大施設での発生熱を、電力に還元する発電装置が開発されている。熱電変換とは熱エネルギーを電気エネルギーに変換することである。この熱電変換は、2種類の物質を接合させて両端に温度差を生じさせると、温度勾配に逆行するように電圧が発生するというゼーベック効果が基本になっている。例えば、BiTe等、キャリアの移動度が常温で高いバルク半導体材料にドーピングし、電子が移動するn型半導体と正孔が移動するp型半導体の2種類の半導体物質を、高温部と低温部の2つの金属電極に挟んだ熱電変換素子が作製されている。これにより、電子・正孔のキャリアが高温部から低温部に流れ、起電力が発生し発電する。実用化されている熱電変換装置においては、この基本素子を複数個配置してモジュール化することにより発電効率を高めている。 In recent years, power generators have been developed that use heavy metals such as Bi, Te, and Pb as thermoelectric conversion elements to reduce the heat generated in huge facilities to electric power. Thermoelectric conversion is the conversion of thermal energy into electrical energy. This thermoelectric conversion is based on the Seebeck effect in which, when two kinds of materials are joined together and a temperature difference is generated at both ends, a voltage is generated so as to go against the temperature gradient. For example, a bulk semiconductor material having a high carrier mobility at room temperature, such as Bi 2 Te 3 , is doped with two types of semiconductor substances, an n-type semiconductor in which electrons move and a p-type semiconductor in which holes move, A thermoelectric conversion element sandwiched between two metal electrodes in the low temperature part is produced. As a result, electron / hole carriers flow from the high temperature portion to the low temperature portion, and an electromotive force is generated to generate power. In a thermoelectric conversion device in practical use, the power generation efficiency is increased by arranging a plurality of these basic elements into a module.

この他にも、発電効率を高める構造や材料が提案されている(例えば、非特許文献1〜3参照)。非特許文献1においては、コバルト酸化物を用いた熱電変換の効率を測定している。非特許文献2においては、スピン流を利用したスピンゼーベック効果による、磁性体を用いたスピン熱電変換について示されている。また、非特許文献3においては、通常のシリコン材料を次元の低いナノワイヤ構造にすることによって熱電変換効率が大きく増大することが示されている。   In addition, structures and materials that improve power generation efficiency have been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 3). In Non-Patent Document 1, the efficiency of thermoelectric conversion using cobalt oxide is measured. Non-Patent Document 2 discloses spin thermoelectric conversion using a magnetic material by the spin Seebeck effect using spin current. Further, Non-Patent Document 3 shows that thermoelectric conversion efficiency is greatly increased by making a normal silicon material into a low-dimensional nanowire structure.

また、熱電変換素子の信頼性を高める手段も開示されている(例えば、特許文献1及び2参照)。特許文献1においては、基板と、当該基板と接触する側の電極の少なくとも一方が、電気的な絶縁性を有し、当該基板と当該電極が液体金属により接合する構造を有し、電極と熱電半導体の接合部が、金属繊維を含有する熱電変換素子が開示されている。特許文献2においては、対向する一対の電極に挟まれたp、n熱電半導体対からなり、該電極と該熱電半導体間に金属を内包したカーボンナノチューブからなる応力緩和層を有する熱電変換素子が開示されている。   In addition, means for improving the reliability of the thermoelectric conversion element is also disclosed (for example, see Patent Documents 1 and 2). In Patent Document 1, at least one of a substrate and an electrode in contact with the substrate has electrical insulation, and the substrate and the electrode are joined by a liquid metal. A thermoelectric conversion element is disclosed in which a semiconductor junction contains metal fibers. Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion element having a stress relaxation layer made of a carbon nanotube including a p and n thermoelectric semiconductor pair sandwiched between a pair of opposed electrodes and containing a metal between the electrode and the thermoelectric semiconductor. Has been.

特開2010−98035号公報JP 2010-98035 A 特開2010−205977号公報JP 2010-205977 A

I. Terasakiら、"Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals"、Physical Review B、1997年、56巻、20号、R12685頁I. Terasaki et al., "Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals", Physical Review B, 1997, 56, 20, R12585 K. Uchidaら、"Spin Seebeck insulator"、 Nature Materials、2010年、9巻、894頁K. Uchida et al., “Spin Seebeck insulator”, Nature Materials, 2010, 9, 894. A. I. Hochbaumら、"Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires"、Nature、2007年、451巻、163頁A. I. Hochbaum et al., “Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires”, Nature, 2007, 451, 163.

以下の分析は、本発明の観点から与えられる。   The following analysis is given from the perspective of the present invention.

現在常温で使用されているバルクな高移動度半導体を用いた熱電変換素子にはいくつかの問題がある。第1の問題点は、これらのバルクな半導体材料は、その構造のために、耐酸化性が低く、劣化しやすいということである。このため、半導体材料に加工を施すことが容易ではなく、この半導体材料では熱電変換のさらなる高効率化を図ることができない。第2の問題点は、金属電極とのコンタクト接合部における原子レベルでの制御が困難であるので、金属電極とバルクの半導体材料のコンタクト接合部において金属原子と半導体原子が原子拡散により混ざってしまうということである。このため、熱電効率は大幅に低下してしまうことになる。   There are several problems with thermoelectric conversion elements using bulk high mobility semiconductors currently used at room temperature. The first problem is that these bulk semiconductor materials have low oxidation resistance and are susceptible to degradation due to their structure. For this reason, it is not easy to process the semiconductor material, and with this semiconductor material, it is not possible to further increase the efficiency of thermoelectric conversion. The second problem is that it is difficult to control at the atomic level in the contact junction with the metal electrode, so that metal atoms and semiconductor atoms are mixed by atomic diffusion in the contact junction between the metal electrode and the bulk semiconductor material. That's what it means. For this reason, thermoelectric efficiency will fall significantly.

特許文献1に記載の熱電変換素子においては、電極と熱電半導体との間には、密着性を高めると共に、高い熱伝導性を確保するために金属繊維が設けられている。しかしながら、熱伝導性を高めると、熱電効率を向上させることはできない。特許文献2に記載の熱電変換素子においても、カーボンナノチューブに金属を内包させると熱伝導率が高くなることになる。したがって、特許文献2に記載の応力緩和層を用いると、熱電効率を向上させることはできない。   In the thermoelectric conversion element described in Patent Document 1, metal fibers are provided between the electrode and the thermoelectric semiconductor in order to improve adhesion and ensure high thermal conductivity. However, if the thermal conductivity is increased, the thermoelectric efficiency cannot be improved. Also in the thermoelectric conversion element described in Patent Document 2, the thermal conductivity is increased when a metal is included in the carbon nanotube. Therefore, when the stress relaxation layer described in Patent Document 2 is used, thermoelectric efficiency cannot be improved.

一般に、熱電変換素子において、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率ηは、以下の式1のように表すことができる。ここでTは高温部の温度、Tは低温部の温度、Tは平均温度T=(T+T)/2である。Zは熱電性能指数と呼ばれ、物質とその構造によって決定される材料特有の物理量であり、以下の式2で表される。Gは電子・正孔のキャリア伝導率である。κは熱伝導率である。Sはゼーベック係数である。ゼーベック係数Sは、物質材料に固有の物理量であり、流れる電子・正孔のキャリアの移動度とそのフェルミ面での状態密度によって決まる。 In general, in a thermoelectric conversion element, the conversion efficiency η from heat energy to electric energy can be expressed as the following Expression 1. Here, T H is the temperature of the high temperature part, T C is the temperature of the low temperature part, and T is the average temperature T = (T H + T C ) / 2. Z is called a thermoelectric figure of merit, and is a physical quantity specific to the material determined by the substance and its structure, and is expressed by the following formula 2. G is the electron / hole carrier conductivity. κ is the thermal conductivity. S is the Seebeck coefficient. The Seebeck coefficient S is a physical quantity specific to the material, and is determined by the mobility of carriers of electrons and holes that flow and the density of states on the Fermi surface.

[式1]

Figure 2012253178
[Formula 1]
Figure 2012253178

[式2]

Figure 2012253178
[Formula 2]
Figure 2012253178

式1に示す変換効率ηは、変数ZTに対して単調に増加する関数であり、大きいZTを得ることが高効率な熱電変換素子の構築につながる。温度勾配による発電にて得られる起電力ΔVはゼーベック係数Sと温度差ΔTを用いて式3のように表される。したがって、大きい熱電効率を達成するためには、キャリアの伝導度を高め、一方熱伝導を低くすることが必要となる。また、高いキャリア伝導が得られるとそれに伴って得られる起電力も大きくなる。   The conversion efficiency η shown in Equation 1 is a function that increases monotonously with respect to the variable ZT, and obtaining a large ZT leads to the construction of a highly efficient thermoelectric conversion element. The electromotive force ΔV obtained by the power generation by the temperature gradient is expressed as in Equation 3 using the Seebeck coefficient S and the temperature difference ΔT. Therefore, to achieve high thermoelectric efficiency, it is necessary to increase the conductivity of the carrier while reducing the thermal conductivity. Further, when high carrier conduction is obtained, the electromotive force obtained is increased accordingly.

[式3]

Figure 2012253178
[Formula 3]
Figure 2012253178

一般にこの無次元量のZTが1を超えれば優良な熱電交換性能を持つとされている。通常の物質では、電子の移動度が高ければ熱の伝導度も高くなり、性能評価指数ZTは大きくならず熱電変換機能は小さくなる。現在実用化されている重金属のレアメタルを含んだ高移動度のバルク半導体材料は、フェルミ面に高い状態密度を持つ層状化合物のため、キャリアの移動度が大きく熱移動度が小さい。また、このバルク半導体材料は、層状内へのドーピングが容易でもある。しかし、このバルク半導体の熱伝効率を更に高めることは非常に困難であり、またレアメタルを用いるため資源量の観点からも別の材料を併用、または代用した高効率な熱電変換素子が求められている。   In general, if this dimensionless amount of ZT exceeds 1, it is said that the thermoelectric exchange performance is excellent. In a normal substance, the higher the electron mobility, the higher the thermal conductivity, and the performance evaluation index ZT does not increase and the thermoelectric conversion function decreases. A high mobility bulk semiconductor material containing a rare metal, which is currently in practical use, is a layered compound having a high state density on the Fermi surface, and therefore has a high carrier mobility and a low thermal mobility. This bulk semiconductor material is also easy to dope into layers. However, it is very difficult to further increase the heat transfer efficiency of this bulk semiconductor, and since a rare metal is used, there is a need for a highly efficient thermoelectric conversion element that uses another material or substitutes it from the viewpoint of the amount of resources. Yes.

本発明の第1視点によれば、熱電変換材料である半導体材料と、半導体材料に電気的に接続された少なくとも1つのナノワイヤと、ナノワイヤと電気的に接続された電極と、を備える熱電変換素子が提供される。ナノワイヤは、半導体基材と、半導体基材の表面に付着したドーパントと、を有する。   According to a first aspect of the present invention, a thermoelectric conversion element comprising: a semiconductor material that is a thermoelectric conversion material; at least one nanowire that is electrically connected to the semiconductor material; and an electrode that is electrically connected to the nanowire. Is provided. The nanowire has a semiconductor substrate and a dopant attached to the surface of the semiconductor substrate.

本発明の第2視点によれば、絶縁性を有する磁性体と、磁性体と磁気的に接続された磁性材料を含有する少なくとも1つのナノワイヤと、ナノワイヤと磁気的に接続された電極と、を備える熱電変換素子が提供される。   According to a second aspect of the present invention, an insulating magnetic material, at least one nanowire containing a magnetic material magnetically connected to the magnetic material, and an electrode magnetically connected to the nanowire, A thermoelectric conversion element is provided.

本発明の第3視点によれば、上記第1視点又は第2視点に記載の熱電変換素子を複数配列した熱電変換モジュールが提供される。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric conversion module in which a plurality of thermoelectric conversion elements described in the first viewpoint or the second viewpoint are arranged.

本発明の第4視点によれば、電極上に触媒を供給する工程と、電極の上方に半導体材料を配置する工程と、ナノワイヤの先端が半導体材料に接合又は接触するように、触媒からナノワイヤを成長させる工程と、ナノワイヤの表面にドーパントを付着させる工程と、を含む熱電変換素子の製造方法が提供される。   According to the fourth aspect of the present invention, the step of supplying the catalyst on the electrode, the step of disposing the semiconductor material above the electrode, and the nanowire from the catalyst so that the tip of the nanowire is joined or contacted with the semiconductor material. There is provided a method of manufacturing a thermoelectric conversion element including a growing step and a step of attaching a dopant to the surface of a nanowire.

本発明の第5視点によれば、磁性体を形成する工程と、磁性体上にナノワイヤ前駆層を形成する工程と、ナノワイヤ前駆層上に電極を形成する工程と、ナノワイヤ前駆層を酸化させて、少なくとも1つのナノワイヤを形成する工程と、を含む熱電変換素子の製造方法が提供される。   According to a fifth aspect of the present invention, a step of forming a magnetic body, a step of forming a nanowire precursor layer on the magnetic body, a step of forming an electrode on the nanowire precursor layer, and oxidizing the nanowire precursor layer Forming at least one nanowire, and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.

本発明は、以下の効果のうち少なくとも1つを有する。   The present invention has at least one of the following effects.

本発明の熱電変換素子においては、電極と半導体材料又は磁性体との接合にナノワイヤを使用している。これにより、熱伝導性を低下させて、熱電変換効率を高めることができる。   In the thermoelectric conversion element of the present invention, nanowires are used for bonding the electrode and the semiconductor material or magnetic material. Thereby, thermal conductivity can be reduced and thermoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の熱電変換素子においては、電極と半導体材料とをナノワイヤで接合することにより、金属と半導体との原子拡散を抑制すると共に、電極から半導体材料へのキャリアの伝導性を高めることができる。これにより、熱電変換効率を高めることができる。   In the thermoelectric conversion element of the present invention, by joining the electrode and the semiconductor material with a nanowire, atomic diffusion between the metal and the semiconductor can be suppressed, and the conductivity of carriers from the electrode to the semiconductor material can be increased. Thereby, thermoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の熱電変換素子においては、電極と磁性体とをナノワイヤで接合することにより、電極から磁性体へのスピンの伝導性を高めることができる。これにより、熱電変換効率を高めることができる。   In the thermoelectric conversion element of the present invention, the conductivity of the spin from the electrode to the magnetic body can be increased by joining the electrode and the magnetic body with a nanowire. Thereby, thermoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の熱電変換素子の製造方法によれば、上記熱電変換素子を容易に製造することができる。   According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion element of the present invention, the thermoelectric conversion element can be easily manufactured.

本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の概略平面図。1 is a schematic plan view of a thermoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. ナノワイヤの模式図。The schematic diagram of a nanowire. 熱電変換素子のナノワイヤを擬一次元構造とした場合の電子の状態密度の模式図。The schematic diagram of the density of states of electrons when the nanowire of the thermoelectric conversion element has a quasi-one-dimensional structure. 熱電変換素子のナノワイヤを擬一次元構造とした場合の電子の状態密度の模式図。The schematic diagram of the density of states of electrons when the nanowire of the thermoelectric conversion element has a quasi-one-dimensional structure. ナノワイヤの拡大概略平面図。The enlarged schematic plan view of nanowire. 本発明の第1実施形態に係る熱電変換モジュールの概略斜視図。1 is a schematic perspective view of a thermoelectric conversion module according to a first embodiment of the present invention. 図6に示す熱電変換モジュールの概略部分平面図。FIG. 7 is a schematic partial plan view of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 6. 本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための概略工程図。The schematic process drawing for demonstrating the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment of this invention. ドーパントを吸着させる際の概略斜視図。The schematic perspective view at the time of making a dopant adsorb | suck. キャリアが電極からナノワイヤへと導入される模式図。The schematic diagram by which a carrier is introduce | transduced from an electrode to nanowire. 本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の概略平面図。1 is a schematic plan view of a thermoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための概略工程図。The schematic process drawing for demonstrating the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention. スピン流が電極からナノワイヤへ導入される際の模式図。The schematic diagram when a spin current is introduce | transduced into an nanowire from an electrode.

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子について説明する。図1に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の概略平面図を示す。図2にナノワイヤの模式図を示す。   The thermoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, the schematic plan view of the thermoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment of this invention is shown. FIG. 2 shows a schematic diagram of the nanowire.

本発明の熱電変換素子1は、n型半導体材料2と、p型半導体材料3と、n型半導体材料2の両端に電気的に接続された第1電極8及び第2電極9と、p型半導体材料3の両端に電気的に接続された第3電極10及び第4電極11と、n型半導体材料2と第1電極8及び第2電極9との間に配され、これらを電気的に接続する少なくとも1つの第1ナノワイヤ4及び第2ナノワイヤ5と、p型半導体材料3と第3電極10及び第4電極11との間に配され、これらを電気的に接続する少なくとも1つの第3ナノワイヤ6及び第4ナノワイヤ7と、第1電極8及び第3電極10と熱的に接続された高温部12と、第2電極9及び第4電極11と熱的に接続された低温部13と、を備える。   The thermoelectric conversion element 1 of the present invention includes an n-type semiconductor material 2, a p-type semiconductor material 3, a first electrode 8 and a second electrode 9 electrically connected to both ends of the n-type semiconductor material 2, and a p-type. The third electrode 10 and the fourth electrode 11 electrically connected to both ends of the semiconductor material 3 and the n-type semiconductor material 2 and the first electrode 8 and the second electrode 9 are arranged, and these are electrically connected. At least one first nanowire 4 and second nanowire 5 to be connected, and at least one third nanowire disposed between the p-type semiconductor material 3 and the third electrode 10 and the fourth electrode 11 to electrically connect them. A nanowire 6 and a fourth nanowire 7, a high temperature portion 12 thermally connected to the first electrode 8 and the third electrode 10, and a low temperature portion 13 thermally connected to the second electrode 9 and the fourth electrode 11. .

n型半導体材料2及びp型半導体材料3としては、熱電変換材料として使用可能な半導体材料を使用することができ、例えば、BiTe系材料やPbTe系材料を使用することができる。   As the n-type semiconductor material 2 and the p-type semiconductor material 3, a semiconductor material that can be used as a thermoelectric conversion material can be used. For example, a BiTe-based material or a PbTe-based material can be used.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7は、線状構造(擬一次元構造)を有する半導体基材21と、その表面に付着したドーパント22を有する。ここで、「擬一次元」とは、電子の伝導方向において、長距離方向が確保されている次元数を意味する。すなわち、「擬一次元」とは、半導体材料2,3と電極8〜11とを結ぶ方向の長さ(1つのナノワイヤの長さ)が、その垂直方向の大きさ(1つのナノワイヤの直径に相当する大きさ)に対して非常に大きいことを意味する。例えば、第1〜第4ナノワイヤ4〜7の長さは、100ナノメートル〜1000ナノメートルであると好ましい。第1〜第4ナノワイヤ4〜7の太さは、1ナノメートル以上100ナノメートル以下であると好ましく、1ナノメートル以上10ナノメートル以下であるとより好ましい。直径が100ナノメートルを超えると本発明の効果が得られにくくなるので、100ナノメートル以下であると好ましい。   The 1st-4th nanowires 4-7 have the semiconductor base material 21 which has a linear structure (quasi one-dimensional structure), and the dopant 22 adhering to the surface. Here, “pseudo one-dimensional” means the number of dimensions in which a long distance direction is secured in the electron conduction direction. That is, “pseudo one-dimensional” means that the length in the direction connecting the semiconductor materials 2 and 3 and the electrodes 8 to 11 (the length of one nanowire) is the size in the vertical direction (the diameter of one nanowire). It means that it is very large with respect to the corresponding size. For example, the length of the first to fourth nanowires 4 to 7 is preferably 100 nanometers to 1000 nanometers. The thickness of the first to fourth nanowires 4 to 7 is preferably 1 nanometer or more and 100 nanometers or less, and more preferably 1 nanometer or more and 10 nanometers or less. Since the effect of this invention will become difficult to be acquired when a diameter exceeds 100 nanometer, it is preferable in it being 100 nanometer or less.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7は、ドーパント22により導電性を有するが、その熱伝導性は金属ナノワイヤに比べてはるかに小さい性質を有すると好ましい。   Although the 1st-4th nanowires 4-7 have electroconductivity by the dopant 22, it is preferable when the heat conductivity has a property far smaller than a metal nanowire.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7の半導体基材21は、重金属を含有していないと好ましい。ここでいう重金属とは、周期表5列目以下の元素(すなわちルビジウムRb以上の原子量を有する元素)である。第1〜第4ナノワイヤ4〜7の材料としては、シリコン(Si)系材料、シリコンゲルマニウム(SiGe)系材料、ガリウム砒素(GaAs)系材料、インジウム砒素(InAs)系材料、炭素(C)系材料等を使用することができる。炭素系材料の例としては、例えば、ダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノチューブ類が挙げられる。炭素系材料は、高融点を有すると共に、ナノオーダーのサイズに形成しても化学的・機械的に安定であるので、デバイスとしての信頼性を高くすることができる。また、カーボンナノチューブ類は、ナノオーダーサイズに加工する必要がないという利点も有する。ここで、カーボンナノチューブ類とは、シングルウォールナノチューブ(SWNT)、ダブルウォールナノチューブ(DWNT)、マルチウォールナノチューブ(MWNT)、カーボンナノホーン等、筒状部分を有する炭素材料のことをいう。   It is preferable that the semiconductor substrate 21 of the first to fourth nanowires 4 to 7 does not contain a heavy metal. The heavy metal here is an element in the fifth column or less of the periodic table (that is, an element having an atomic weight equal to or higher than rubidium Rb). The materials of the first to fourth nanowires 4 to 7 include silicon (Si) material, silicon germanium (SiGe) material, gallium arsenide (GaAs) material, indium arsenide (InAs) material, and carbon (C) material. Materials etc. can be used. Examples of the carbon-based material include diamond, graphene, and carbon nanotubes. Since the carbon-based material has a high melting point and is chemically and mechanically stable even when formed in a nano-order size, the reliability as a device can be increased. Carbon nanotubes also have the advantage that they do not need to be processed to a nano-order size. Here, carbon nanotubes refer to carbon materials having a cylindrical portion, such as single wall nanotubes (SWNT), double wall nanotubes (DWNT), multiwall nanotubes (MWNT), carbon nanohorns, and the like.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7は、半導体基材21の表面に、半導体としての機能を持たせるためのドーパント22を有する。n型半導体とする場合には、ナノワイヤに電荷供給型のドーパント22を付着させる。p型半導体とする場合には、ナノワイヤに電荷吸収型のドーパント22を付着させる。一般に成長したナノワイヤの表面は欠陥・乱れ21aを含む。そのため、フォノンの伝導は表面の欠陥・乱れ21aにより大きく低下する(非特許文献3参照)。更に、これに加えて周期的構造を乱すようにランダムにドーパント分子を吸着させることで電子・正孔のキャリア伝導を大きく下げることなく、フォノンによる熱伝導を大きく抑制することができる。なお、欠陥・乱れ21aとは、ナノワイヤ表面における原子欠陥や原子構造の乱れをいう。   The 1st-4th nanowires 4-7 have the dopant 22 for giving the function as a semiconductor on the surface of the semiconductor base material 21. In the case of an n-type semiconductor, a charge supply type dopant 22 is attached to the nanowire. In the case of a p-type semiconductor, a charge absorbing dopant 22 is attached to the nanowire. In general, the surface of the grown nanowire includes defects / disturbances 21a. Therefore, phonon conduction is greatly reduced by surface defects / disturbances 21a (see Non-Patent Document 3). Further, in addition to this, by adsorbing the dopant molecules randomly so as to disturb the periodic structure, the heat conduction due to phonons can be greatly suppressed without greatly reducing the carrier conduction of electrons and holes. The defect / disturbance 21a refers to an atomic defect or a disorder of the atomic structure on the nanowire surface.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7に半導体性能を付与するドーパント22としては、半導体基材21の構成元素の原子番号に近い元素を使用すると好ましい。ドーパント22としては、例えば炭化水素有機化合物を使用することができる。n型半導体である第1ナノワイヤ4及び第2ナノワイヤ5を形成するためのドーパントとしては、電荷供給型ドーパント、例えば、テトラチアフルバレン(TTF;Tetrathiafulvalene)を使用することができる。p型半導体である第3ナノワイヤ6及び第4ナノワイヤ7を形成するためのドーパントとしては、電荷吸収型ドーパント、例えば、テトラシアノキノジメタン(TCNQ;tetracyanoquinodimethane)を使用することができる。   As the dopant 22 that imparts semiconductor performance to the first to fourth nanowires 4 to 7, it is preferable to use an element close to the atomic number of the constituent element of the semiconductor substrate 21. As the dopant 22, for example, a hydrocarbon organic compound can be used. As a dopant for forming the first nanowire 4 and the second nanowire 5 that are n-type semiconductors, a charge supply dopant, for example, tetrathiafulvalene (TTF) can be used. As a dopant for forming the 3rd nanowire 6 and the 4th nanowire 7 which are p-type semiconductors, a charge absorption type dopant, for example, tetracyanoquinodimethane (TCNQ; tetracyanoquinodimethane) can be used.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7におけるドーパント量は、第1〜第4ナノワイヤ4〜7のフェルミ準位が状態密度のピークにあるように、又は状態密度のピーク近くにあるように調節すると好ましい。図3及び図4に、図1に示す熱電変換素子1のナノワイヤ4〜7を擬一次元構造とした場合の電子の状態密度の模式図を示す。図3に示す電子のエネルギー状態密度を見ると、一次元性のバンド分散を持つ材料では、あるエネルギー準位に対して状態密度にピークが生じる。この物質に不純物をドープすると、図4に示すように、そのドープ濃度に依存してフェルミ準位の位置が、状態密度が最大になった点を横切ることがしばしば生じる。n型ドープの場合には電子(p型ドープの場合には正孔)の状態密度が最大になった場所にフェルミ準位がある場合には、上記式2におけるゼーベック係数Sが1桁増大する。理想的な理論計算によると2桁増大させることも可能であるが、実際の材料ではフェルミ準位の状態密度が増大すると、自発的に半導体部分の結晶を構成する原子配置が変化して状態密度の増大が抑制されるので、増大は1桁におさまる。   It is preferable to adjust the dopant amount in the first to fourth nanowires 4 to 7 so that the Fermi level of the first to fourth nanowires 4 to 7 is at or near the peak of the state density. . 3 and 4 are schematic diagrams showing the density of states of electrons when the nanowires 4 to 7 of the thermoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1 have a quasi-one-dimensional structure. Looking at the energy state density of electrons shown in FIG. 3, a material having a one-dimensional band dispersion has a peak in the state density for a certain energy level. When this material is doped with impurities, as shown in FIG. 4, the position of the Fermi level often crosses the point where the density of states is maximized depending on the doping concentration. In the case of n-type doping, the Seebeck coefficient S in Equation 2 is increased by an order of magnitude when the Fermi level is present where the density of states of electrons (holes in the case of p-type doping) is maximized. . According to the ideal theoretical calculation, it can be increased by two orders of magnitude, but in the actual material, when the density of states of the Fermi level increases, the atomic configuration constituting the crystal of the semiconductor part spontaneously changes and the density of states Increase is suppressed to an order of magnitude.

半導体基材21へのドーパント22のドープ程度は、半導体基材21の表面に付着させるにとどめるようにすると好ましい。すなわち、ドーパント22を半導体基材21の内部に注入させないようにすると好ましい。また、ドーパント22は、半導体基材21の表面上において、周期性をもって配列しないようにすると好ましい。すなわち、ドーパント22を半導体基材21の表面にランダムに付着させると好ましい。   The degree of doping of the dopant 22 into the semiconductor substrate 21 is preferably limited to the surface of the semiconductor substrate 21. That is, it is preferable not to inject the dopant 22 into the semiconductor substrate 21. Moreover, it is preferable that the dopant 22 is not arranged with periodicity on the surface of the semiconductor substrate 21. That is, it is preferable that the dopant 22 is randomly attached to the surface of the semiconductor substrate 21.

第1〜第4ナノワイヤ4〜7において、ドーパント22が不規則的に付着しているかどうかは、第1〜第4ナノワイヤ4〜7の表面の電子線回折を測定することによって判断することができる。例えば、電子線回折の撮像スクリーンにパターンが検出されないと好ましい。この場合、ドーパント22が周期性無く半導体材料表面に付着していることが示される。したがって、ドーパント22は、電子線回折の撮像スクリーンにパターンが検出されないように半導体材料に付着させると好ましい。   In the first to fourth nanowires 4 to 7, whether or not the dopant 22 is irregularly attached can be determined by measuring the electron diffraction of the surfaces of the first to fourth nanowires 4 to 7. . For example, it is preferable that no pattern is detected on the electron diffraction diffraction imaging screen. In this case, it is shown that the dopant 22 adheres to the surface of the semiconductor material without periodicity. Therefore, it is preferable that the dopant 22 is adhered to the semiconductor material so that the pattern is not detected on the electron diffraction diffraction imaging screen.

ドーパント22が半導体基材21の表面に付着したのみであっても、半導体基材21の幅はナノメートルオーダーであるので、キャリア(正孔又は電子)は、半導体基材21の内部にまで浸透することができる。これにより、第1〜第4ナノワイヤ4〜7は半導体の性質を有することになる。   Even if the dopant 22 is only attached to the surface of the semiconductor substrate 21, since the width of the semiconductor substrate 21 is on the order of nanometers, carriers (holes or electrons) penetrate into the semiconductor substrate 21. can do. Thereby, the first to fourth nanowires 4 to 7 have semiconductor properties.

第1電極及び第2電極は導電性材料である。第1電極及び第2電極としては、例えば、アルミニウム、銅等を使用することができる。   The first electrode and the second electrode are conductive materials. As the first electrode and the second electrode, for example, aluminum, copper, or the like can be used.

高温部12及び低温部13は、ナノワイヤ4〜7及び半導体材料2〜3に温度勾配を所持させるものである。高温部12には例えば加熱装置(不図示)接続されている。低温部13には例えば冷却装置(不図示)が接続されている。高温部12及び低温部13は絶縁性材料であり、高温部12及び低温部13に電流が流れると起電力が失われてしまうので、高温部12及び低温部13はバンドギャップが大きい絶縁性材料であると好ましい。高温部12及び低温部13としては、例えば、SiO等のガラス材料を用いることができる。 The high-temperature part 12 and the low-temperature part 13 cause the nanowires 4 to 7 and the semiconductor materials 2 to 3 to have a temperature gradient. For example, a heating device (not shown) is connected to the high temperature section 12. For example, a cooling device (not shown) is connected to the low temperature part 13. The high temperature part 12 and the low temperature part 13 are insulating materials, and an electromotive force is lost when a current flows through the high temperature part 12 and the low temperature part 13, so that the high temperature part 12 and the low temperature part 13 have a large band gap. Is preferable. As the high temperature part 12 and the low temperature part 13, for example, a glass material such as SiO 2 can be used.

図5に、熱電変換素子におけるナノワイヤの拡大概略平面図を示す。熱電変換素子1は、第1〜第4電極8〜11と第1〜第4ナノワイヤ4〜7との間に介在する触媒31と、第1〜第4電極8〜11と第1〜第4ナノワイヤ4〜7とのコンタクト周囲に配された抵抗低下剤32と、をさらに備えると好ましい。   FIG. 5 shows an enlarged schematic plan view of nanowires in the thermoelectric conversion element. The thermoelectric conversion element 1 includes a catalyst 31 interposed between the first to fourth electrodes 8 to 11 and the first to fourth nanowires 4 to 7, the first to fourth electrodes 8 to 11, and the first to fourth. It is preferable to further include a resistance reducing agent 32 disposed around the contact with the nanowires 4 to 7.

触媒31は、第1〜第4電極8〜11を成長させるために使用されるものである。触媒31としては、半導体材料を成長させる場合には、金、ニッケル、プラチナ、アルミニウム等の微粒子を使用することができる。カーボンナノチューブを成長させる場合には、鉄の微粒子を使用することができる。   The catalyst 31 is used for growing the first to fourth electrodes 8 to 11. As the catalyst 31, fine particles such as gold, nickel, platinum, and aluminum can be used when a semiconductor material is grown. When growing carbon nanotubes, fine particles of iron can be used.

抵抗低下剤32は、第1〜第4電極8〜11から第1〜第4ナノワイヤ4〜7へ電子・正孔を注入する際に、両者間の接触抵抗を減らして電子・正孔の伝導性を高めるものである。n型の第1電極8及び第2電極9における抵抗低下剤32としては、電子の注入を容易にする物質、例えばカリウム(K)やカルシウム(Ca)等の金属微粒子を使用することができる。p型の第3電極10及び第4電極11における抵抗低下剤32としては、正孔の注入を容易にする物質、例えばフラーレン、ペンタセン等を使用することができる。   The resistance lowering agent 32 reduces the contact resistance between the first and fourth electrodes 8 to 11 to the first to fourth nanowires 4 to 7 and reduces the contact resistance between them. It enhances sex. As the resistance reducing agent 32 in the n-type first electrode 8 and the second electrode 9, a substance that facilitates electron injection, for example, metal fine particles such as potassium (K) and calcium (Ca) can be used. As the resistance lowering agent 32 in the p-type third electrode 10 and the fourth electrode 11, a substance that facilitates hole injection, such as fullerene or pentacene, can be used.

次に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換モジュールについて説明する。図6に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換モジュールの概略斜視図を示す。図7に、図6に示す熱電変換モジュールの概略部分平面図を示す。図6及び図7において、図1に示す要素と同じ要素には同じ符号を付してある。   Next, the thermoelectric conversion module according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a schematic perspective view of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a schematic partial plan view of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 6 and 7, the same elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

熱電変換モジュール100は、基本的には、図1に示す熱電変換素子1を並列に配置した構成を有する。すなわち、第1ナノワイヤ4、n型半導体材料2及び第2ナノワイヤ5で構成されたn型ユニットと、第3ナノワイヤ6、p型半導体材料3及び第4ナノワイヤ7で構成されたp型ユニットと、は交互に配列されている。図1に示す熱電変換ユニット1においては各電極は隣接するユニット同士を電気的に接続していないが、熱電変換モジュール100においては、各電極は、隣接するユニット同士を電気的に接続している。第1電極41は、高温部12側においてn型ユニットとp型ユニットを電気的に接続している。すなわち、第1電極41は、第1ナノワイヤ4を介してn型半導体材料2と電気的に接続され、第3ナノワイヤ6を介してp型半導体材料3と電気的に接続されている。第2電極42は、低温部13側においてp型ユニットとn型ユニットを電気的に接続している。すなわち、第2電極42は、第4ナノワイヤを介してp型半導体材料3と電気的に接続され、第2ナノワイヤ5を介してn型半導体材料2と電気的に接続されている。第1電極41と第2電極42は互い違いに配列されている。すなわち、第1電極41と第2電極42とが同一のn型ユニットに接続されている場合には、その第1電極41と第2電極42とは異なるp型ユニットに接続されている。同様に、第1電極41と第2電極42とが同一のp型ユニットに接続されている場合には、その第1電極41と第2電極42とは異なるn型ユニットに接続されている。高温部12及び低温部13は、図1に示すように電極毎に設けてもよいが、図6及び図7に示す形態においては、高温部12は、複数の第1電極41に共通の基板として構成し、低温部13は、複数の第2電極42に共通の基板として構成している。   The thermoelectric conversion module 100 basically has a configuration in which the thermoelectric conversion elements 1 shown in FIG. 1 are arranged in parallel. That is, an n-type unit composed of the first nanowire 4, the n-type semiconductor material 2 and the second nanowire 5, and a p-type unit composed of the third nanowire 6, the p-type semiconductor material 3 and the fourth nanowire 7, Are arranged alternately. In the thermoelectric conversion unit 1 shown in FIG. 1, each electrode does not electrically connect adjacent units, but in the thermoelectric conversion module 100, each electrode electrically connects adjacent units. . The first electrode 41 electrically connects the n-type unit and the p-type unit on the high temperature part 12 side. That is, the first electrode 41 is electrically connected to the n-type semiconductor material 2 via the first nanowire 4 and is electrically connected to the p-type semiconductor material 3 via the third nanowire 6. The second electrode 42 electrically connects the p-type unit and the n-type unit on the low temperature part 13 side. That is, the second electrode 42 is electrically connected to the p-type semiconductor material 3 through the fourth nanowire and is electrically connected to the n-type semiconductor material 2 through the second nanowire 5. The first electrode 41 and the second electrode 42 are arranged alternately. That is, when the first electrode 41 and the second electrode 42 are connected to the same n-type unit, the first electrode 41 and the second electrode 42 are connected to different p-type units. Similarly, when the first electrode 41 and the second electrode 42 are connected to the same p-type unit, the first electrode 41 and the second electrode 42 are connected to different n-type units. Although the high temperature part 12 and the low temperature part 13 may be provided for each electrode as shown in FIG. 1, in the form shown in FIGS. 6 and 7, the high temperature part 12 is a substrate common to the plurality of first electrodes 41. The low temperature part 13 is configured as a substrate common to the plurality of second electrodes 42.

熱電変換モジュール100によれば、高密度実装が可能であり、取得電圧を高めることができる。   According to the thermoelectric conversion module 100, high-density mounting is possible, and the acquired voltage can be increased.

次に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の製造方法について説明する。図8に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための概略工程図を示す。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment of this invention is demonstrated. In FIG. 8, the schematic process drawing for demonstrating the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment of this invention is shown.

まず、第1〜第4電極8〜11を準備する。次に、各電極8〜11上に、ナノワイヤ4〜7の成長に必要な触媒31を配置する。次に、各電極8〜11上に、各電極8〜11からナノワイヤ4〜7を成長させる長さ程度離して半導体材料2〜3を配置する(図8(a))。   First, first to fourth electrodes 8 to 11 are prepared. Next, the catalyst 31 necessary for the growth of the nanowires 4 to 7 is disposed on each of the electrodes 8 to 11. Next, the semiconductor materials 2 to 3 are arranged on the electrodes 8 to 11 so as to be separated from the electrodes 8 to 11 by a length for growing the nanowires 4 to 7 (FIG. 8A).

次に、触媒31からナノワイヤ4〜7を成長させる。例えば、化学気相成長法(CVD(Chemical Vapor Deposition)法)やVLS(Vapor-Liquid-Solid)法などの技術を用いたガス噴き掛け33によりナノワイヤ4〜7を成長させる。この際、電界34を付加することでナノワイヤ4〜7の成長方向を制御する。成長したナノワイヤ4〜7は、半導体材料2〜3と接合ないし接触し、ナノワイヤ4〜7と半導体材料2〜3は電気的に接続される(図8(b))。ナノワイヤ4〜7は、半導体材料2〜3の両側同時に成長させてもよいし、片側ずつ成長させてもよい。   Next, nanowires 4 to 7 are grown from the catalyst 31. For example, the nanowires 4 to 7 are grown by gas spraying 33 using a technique such as a chemical vapor deposition method (CVD (Chemical Vapor Deposition) method) or a VLS (Vapor-Liquid-Solid) method. At this time, the growth direction of the nanowires 4 to 7 is controlled by applying the electric field 34. The grown nanowires 4 to 7 are bonded or brought into contact with the semiconductor materials 2 to 3, and the nanowires 4 to 7 and the semiconductor materials 2 to 3 are electrically connected (FIG. 8B). The nanowires 4 to 7 may be grown on both sides of the semiconductor materials 2 to 3 simultaneously, or may be grown on one side.

次に、電極8〜11とナノワイヤ4〜7との接合部の周囲に抵抗低下剤32を吸着させる(図8(c))。図8に示す形態においては、ナノワイヤ4〜7を成長させた後に抵抗低下剤32を付与したが、抵抗低下剤32を付与した後にナノワイヤ4〜7を成長させてもよい。   Next, the resistance reducing agent 32 is adsorbed around the joint between the electrodes 8 to 11 and the nanowires 4 to 7 (FIG. 8C). In the form shown in FIG. 8, the resistance reducing agent 32 is applied after the nanowires 4 to 7 are grown. However, the nanowires 4 to 7 may be grown after the resistance reducing agent 32 is applied.

次に、ナノワイヤ4〜7にドーパント22を吸着させる。図9に、ドーパントを吸着させる際の概略斜視図を示す。ナノワイヤ4〜7を介して電極8〜11と半導体材料2〜3とを接続したn型ユニットとp型ユニットとの間に隔離壁35を形成する。隔離壁35は、ナノワイヤ4〜7にドーパントを供給する際に、n型用のドーパントとp型用のドーパントの両方がナノワイヤに付着することを防止するものである。隔離壁35を形成した後、第1ナノワイヤ4及び第2ナノワイヤ5にn型用ドーパントを吸着させる工程と、第3ナノワイヤ6及び第4ナノワイヤ7にp型用ドーパントを吸着させる工程とを別々に実施する。隔離壁35を設けることにより、p型用ドーパントが第1ナノワイヤ4及び第2ナノワイヤ5に付着することを防止し、また、n型用ドーパントが第3ナノワイヤ6及び第4ナノワイヤ7に付着することを防止する。   Next, the dopant 22 is adsorbed on the nanowires 4 to 7. FIG. 9 shows a schematic perspective view when adsorbing the dopant. An isolation wall 35 is formed between the n-type unit and the p-type unit in which the electrodes 8 to 11 and the semiconductor materials 2 to 3 are connected via the nanowires 4 to 7. The isolation wall 35 prevents both the n-type dopant and the p-type dopant from adhering to the nanowire when supplying the dopant to the nanowires 4 to 7. After the isolation wall 35 is formed, the step of adsorbing the n-type dopant on the first nanowire 4 and the second nanowire 5 and the step of adsorbing the p-type dopant on the third nanowire 6 and the fourth nanowire 7 are performed separately. carry out. By providing the isolation wall 35, the p-type dopant is prevented from adhering to the first nanowire 4 and the second nanowire 5, and the n-type dopant is adhered to the third nanowire 6 and the fourth nanowire 7. To prevent.

隔離壁35は、絶縁性を有すると共に、熱伝導性が低いものにすると好ましい。隔離壁35としては、ガラス材料や酸化シリコン等を使用することができる。これにより、例えば、図6のようなモジュールを作製する場合、熱電変換素子間の短絡を防止することができる。   The isolation wall 35 preferably has insulating properties and low thermal conductivity. As the isolation wall 35, a glass material, silicon oxide, or the like can be used. Thereby, for example, when producing a module like FIG. 6, the short circuit between thermoelectric conversion elements can be prevented.

ドーパントの吸着量は、半導体部分の光吸収測定を実施しながら、フェルミ準位を状態密度のピーク位置に合わせるように調節すると好ましい。擬一次元系のナノワイヤはその状態密度に一次元系に特有なピークを有する。ナノワイヤへの分子ドーパントの量をこの状態密度が最大ピークになる所に合わせるように導入することにより、電子・正孔の流れを大きくすることができ、キャリアの伝導性を向上させることが可能になる。したがって、ドーパント吸着量は、半導体部分の光吸収測定で、状態密度の占有部分のピーク位置から非占有部分へのピーク位置に移行する際に現れる光吸収ピークの消失により調整する。   The amount of adsorbed dopant is preferably adjusted so that the Fermi level matches the peak position of the state density while performing optical absorption measurement of the semiconductor portion. A quasi-one-dimensional nanowire has a peak specific to the one-dimensional system in the density of states. By introducing the amount of molecular dopant into the nanowire so that the density of states reaches the maximum peak, the flow of electrons and holes can be increased, and the conductivity of carriers can be improved. Become. Accordingly, the amount of adsorbed dopant is adjusted by the disappearance of the light absorption peak that appears when shifting from the peak position of the occupied portion of the state density to the peak position of the unoccupied portion in the light absorption measurement of the semiconductor portion.

上記製造方法によれば、熱電変換素子を簡易な方法で製造することができる。   According to the said manufacturing method, a thermoelectric conversion element can be manufactured by a simple method.

次に、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子1の作用について説明する。図10に、キャリアが電極からナノワイヤへと導入される模式図を示す。図10においては、電極8〜11の領域は、電極における電子状態を模式的に示している。電極8〜11とナノワイヤ4〜7との接合部の領域は、キャリアに対するエネルギー障壁を図示している。ナノワイヤ4〜7の領域は、エネルギーに対する状態密度を図示している。   Next, the operation of the thermoelectric conversion element 1 according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 shows a schematic diagram in which carriers are introduced from the electrode into the nanowire. In FIG. 10, the area | region of the electrodes 8-11 has shown the electronic state in an electrode typically. The region of the junction between the electrodes 8-11 and the nanowires 4-7 illustrates the energy barrier against carriers. The regions of nanowires 4-7 illustrate the density of states with respect to energy.

熱電変換素子1において発電するためには、第1電極8及び第3電極10を高温とし、第2電極9及び第4電極を第1電極8及び第3電極10よりも低温として、n型半導体材料2、p型半導体材料3及び第1〜第4ナノワイヤ4〜7において温度勾配を発生させる。これにより、電子と正孔のキャリア移動と熱拡散における熱伝導を生じさせる。   In order to generate electric power in the thermoelectric conversion element 1, the first electrode 8 and the third electrode 10 are set to a high temperature, the second electrode 9 and the fourth electrode are set to a lower temperature than the first electrode 8 and the third electrode 10, and the n-type semiconductor A temperature gradient is generated in the material 2, the p-type semiconductor material 3, and the first to fourth nanowires 4 to 7. As a result, carrier transfer of electrons and holes and heat conduction in thermal diffusion are caused.

熱電変換素子において熱伝導及び電子・正孔のキャリア移動度を阻害する原因の一つは、異種接合を要する電極と半導体材料との接合部である。特に、電極と半導体材料との接合部における電気抵抗を小さくし電気伝導度を大きくすることが重要である。そこで、本発明の熱電変換素子1においては、電極8〜11と半導体材料2〜3とをナノワイヤ4〜7で接合することにより、金属原子と半導体原子の原子拡散を抑制する。また、電極8〜11とナノワイヤ4〜7との接合部には、抵抗低下剤32を供給することにより、キャリア伝導性を高めている。すなわち、キャリアに対する接合部におけるエネルギー障壁を低くしている。   One of the causes of hindering heat conduction and electron / hole carrier mobility in a thermoelectric conversion element is a junction between an electrode and a semiconductor material that require heterojunction. In particular, it is important to reduce the electrical resistance and increase the electrical conductivity at the junction between the electrode and the semiconductor material. Therefore, in the thermoelectric conversion element 1 of the present invention, the atomic diffusion of metal atoms and semiconductor atoms is suppressed by joining the electrodes 8 to 11 and the semiconductor materials 2 to 3 with the nanowires 4 to 7. Moreover, carrier conductivity is improved by supplying the resistance reducing agent 32 to the junction part of the electrodes 8-11 and the nanowires 4-7. That is, the energy barrier at the junction with respect to the carrier is lowered.

さらに、ナノワイヤ4〜7は、半導体基材21の表面にドーパント22が付着することにより、半導体ナノワイヤを形成し、表面吸着分子とのフォノン散乱効果により熱伝導を小さくしている。すなわち、ナノワイヤ4〜7は、電極8〜11から半導体材料2〜3への熱伝導性を低下させている。   Furthermore, the nanowires 4 to 7 form semiconductor nanowires by the dopant 22 adhering to the surface of the semiconductor substrate 21, and the thermal conduction is reduced by the phonon scattering effect with the surface adsorbed molecules. That is, the nanowires 4 to 7 reduce the thermal conductivity from the electrodes 8 to 11 to the semiconductor materials 2 to 3.

電子・正孔によるキャリア伝導に関して、電子や正孔のエネルギーバンド数が伝導帯と価電子帯で少なくなるが、電子・正孔の波数変化に対するエネルギー変化(バンド分散)がフォノンのバンド分散よりも大きいため、次元の低下に対してキャリア伝導度の低下は小さい。ドーパント22を半導体基材21の表面に付着させるにとどめると、キャリアを放出し、帯電したドーパント22は、半導体基材21の表面のみに存在することになる。これにより、帯電したドーパント22が電子及び正孔の移動23を阻害する影響を低減することができる。すなわち、半導体基材21内部における電子及び正孔の移動度は、表面に存在する帯電したドーパント22によって低減されにくくなる。よって、電子・正孔のキャリア伝導度で決まるゼーベック係数Sは大きく低下しない。   Regarding the carrier conduction by electrons and holes, the energy band number of electrons and holes decreases in the conduction band and valence band, but the energy change (band dispersion) with respect to the wave number change of electrons and holes is more than the band dispersion of phonons. Because it is large, the decrease in carrier conductivity is small with respect to the decrease in dimension. If the dopant 22 is only attached to the surface of the semiconductor substrate 21, carriers are released, and the charged dopant 22 exists only on the surface of the semiconductor substrate 21. Thereby, the influence which the charged dopant 22 inhibits the movement 23 of an electron and a hole can be reduced. That is, the mobility of electrons and holes inside the semiconductor substrate 21 is difficult to be reduced by the charged dopant 22 present on the surface. Therefore, the Seebeck coefficient S determined by the electron / hole carrier conductivity is not greatly reduced.

熱伝導に関して、擬一次元構造の第1〜第4ナノワイヤ4〜7においては、第1〜第4ナノワイヤ4〜7の直径が小さくなるにつれ、熱伝導率κ(上記式2)が大きく低下し、その結果として熱電性能指数ZTが大きく増大する(非特許文献3参照)。ここで、擬一次元構造で熱伝導率κが下がる理由は、熱の伝播を担う媒体である材料の格子振動の振動モードが少なくなるために、熱伝導のフォノンが少なくなるためである。   Regarding the heat conduction, in the first to fourth nanowires 4 to 7 having a quasi-one-dimensional structure, as the diameters of the first to fourth nanowires 4 to 7 become smaller, the thermal conductivity κ (the above formula 2) greatly decreases. As a result, the thermoelectric figure of merit ZT greatly increases (see Non-Patent Document 3). Here, the reason why the thermal conductivity κ is lowered in the quasi-one-dimensional structure is that the vibration mode of the lattice vibration of the material that is a medium responsible for the propagation of heat is reduced, so that the phonon of thermal conduction is reduced.

フォノン伝導は第1〜第4ナノワイヤ4〜7表面の構造変化や乱れに大きく影響を受けて伝導が低下する。熱の伝導を担う音響フォノンは、図2に示す矢印24のように、第1〜第4ナノワイヤ4〜7の外面を伝播する。一般に、n型ドーパントである分子又はp型ドーパントである分子を、図4に示すようにフェルミ準位が状態密度のピーク位置にまで変化するまでの量を付着させると、一次元の長手方向50Åの範囲に、概算で平均一個の分子が付着されていることになる。音響フォノンは清浄表面では通常の材料で1000Åの距離を弾道的にすすむことが出来るが、その弾道距離が50Åに縮むので、伝導度κは約20分の1に低下すると概算見積もりすることができる。したがって、第1〜第4ナノワイヤ4〜7の表面に不規則にドーパント22が付着していると、格子のなす周期的構造が乱されるので、音響フォノンが散乱され、伝播速度が著しく低下することになる。   Phonon conduction is greatly affected by structural changes and disturbances on the surfaces of the first to fourth nanowires 4 to 7, and the conduction is lowered. The acoustic phonon responsible for heat conduction propagates on the outer surfaces of the first to fourth nanowires 4 to 7 as indicated by an arrow 24 shown in FIG. In general, when a molecule that is an n-type dopant or a molecule that is a p-type dopant is attached in an amount until the Fermi level changes to the peak position of the density of states as shown in FIG. An average of one molecule is attached in the range of. An acoustic phonon can be moved ballistically over a distance of 1000 km with a normal material on a clean surface, but since the ballistic distance is reduced to 50 mm, the conductivity κ can be estimated to be reduced to about 1/20. . Therefore, if the dopant 22 is irregularly attached to the surfaces of the first to fourth nanowires 4 to 7, the periodic structure formed by the lattice is disturbed, so that acoustic phonons are scattered and the propagation speed is significantly reduced. It will be.

以上より、第1〜第4ナノワイヤ4〜7により熱電変換効率を増大させることができる。   From the above, the thermoelectric conversion efficiency can be increased by the first to fourth nanowires 4 to 7.

次に、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子について説明する。図11に、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の概略平面図を示す。   Next, a thermoelectric conversion element according to the second embodiment of the present invention will be described. In FIG. 11, the schematic plan view of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention is shown.

第2実施形態に係る熱電変換素子51は、磁性体52と、磁性体52の一方の端部に磁気的に接続された第1ナノワイヤ53と、磁性体52の他方の端部に磁気的に接続された第2ナノワイヤ54と、第1ナノワイヤ53と磁気的に接続された第1電極55と、第2ナノワイヤ54と磁気的に接続された第2電極56と、第1電極55と熱的に接続された高温部57と、第2電極56と熱的に接続された低温部58と、を備える。磁性体52と第1電極55とは、第1ナノワイヤ53を介して磁気的に接続される。磁性体52と第2電極56とは、第2ナノワイヤ54を介して磁気的に接続される。   The thermoelectric conversion element 51 according to the second embodiment includes a magnetic body 52, a first nanowire 53 magnetically connected to one end of the magnetic body 52, and a magnetic end at the other end of the magnetic body 52. The connected second nanowire 54, the first electrode 55 magnetically connected to the first nanowire 53, the second electrode 56 magnetically connected to the second nanowire 54, and the first electrode 55 thermally. And a low temperature part 58 thermally connected to the second electrode 56. The magnetic body 52 and the first electrode 55 are magnetically connected via the first nanowire 53. The magnetic body 52 and the second electrode 56 are magnetically connected via the second nanowire 54.

本発明において、磁気的に接続されているとは、スピン間相互作用を有することをいう。また、本発明において、磁性とは、スピン間相互作用によってスピン配列に秩序を有する性質をいう。   In the present invention, being magnetically connected means having an interaction between spins. In the present invention, magnetism refers to the property of ordering in the spin arrangement due to the interaction between spins.

磁性体52は、熱伝導性の低い材料、例えば絶縁体であると好ましい。磁性体52としては、強磁性体(フェロ磁性体)やフェリ磁性体を使用することができ、熱伝導率の小さく、かつスピン流の緩和が小さな材料を用いることが望ましい。磁性体52として、例えば、ガーネットフェライトやスピネルフェライトなどの酸化物系の磁性体を用いることができる。特に、多結晶やナノ結晶の磁性体52材料を用いれば、効果的なフォノン散乱によってフォノン熱伝導を抑制し、さらに高い感度・分解能を得ることが可能となる。   The magnetic body 52 is preferably a material having low thermal conductivity, for example, an insulator. As the magnetic body 52, a ferromagnetic body (ferromagnetic body) or a ferrimagnetic body can be used, and it is desirable to use a material having low thermal conductivity and small spin current relaxation. As the magnetic body 52, for example, an oxide-based magnetic body such as garnet ferrite or spinel ferrite can be used. In particular, if a polycrystalline or nanocrystalline magnetic material 52 is used, phonon thermal conduction can be suppressed by effective phonon scattering, and higher sensitivity and resolution can be obtained.

第1電極55及び第2電極56は、逆スピンホール効果によってスピン流から熱起電力を取り出すために、スピン軌道相互作用を有する材料を含有するものが好ましい。電極55,56として、例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなAu、Pt、Pdなどの金属材料、又はこのような金属材料を含有する合金材料を用いることができる。電極55,56は、逆スピンホール効果を強めるために、FeやCuなどの不純物を含有してもよい。電極55,56の厚さは、スピン流を高い効率で電気に変換するために、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定すると好ましい。例えば、電極をAuで形成する場合、電極の厚さは50nm以上に設定すると好ましく、Ptで形成する場合、厚さは10nm以上に設定するのと好ましい。   The first electrode 55 and the second electrode 56 preferably contain a material having a spin orbit interaction in order to extract a thermoelectromotive force from the spin current by the reverse spin Hall effect. As the electrodes 55 and 56, for example, a metal material such as Au, Pt, or Pd having a relatively large spin-orbit interaction or an alloy material containing such a metal material can be used. The electrodes 55 and 56 may contain impurities such as Fe and Cu in order to enhance the reverse spin Hall effect. The thicknesses of the electrodes 55 and 56 are preferably set to at least the spin diffusion length of the metal material in order to convert the spin current into electricity with high efficiency. For example, when the electrode is formed of Au, the thickness of the electrode is preferably set to 50 nm or more. When the electrode is formed of Pt, the thickness is preferably set to 10 nm or more.

第1ナノワイヤ53及び第2ナノワイヤ54は磁性体である。第1ナノワイヤ53及び第2ナノワイヤ54は、少なくとも一方向の磁化を有する磁性材料、例えば強磁性体(フェロ磁性体)やフェリ磁性体を含有する。ナノワイヤ53,54としては、例えば、鉄やニッケルなどの金属材料や、スピネルフェライトなどの絶縁体材料を用いることができる。   The first nanowire 53 and the second nanowire 54 are magnetic materials. The first nanowire 53 and the second nanowire 54 contain a magnetic material having magnetization in at least one direction, for example, a ferromagnetic material (ferromagnetic material) or a ferrimagnetic material. As the nanowires 53 and 54, for example, a metal material such as iron or nickel or an insulator material such as spinel ferrite can be used.

ナノワイヤ53,54は、線状構造(擬一次元構造)を有する。例えば、ナノワイヤ53,54の長さは、100ナノメートル〜1000ナノメートルであると好ましい。ナノワイヤ53,54の太さは、マグノンの伝播経路を確保することができる太さ、例えば、1ナノメートル以上100ナノメートル以下であると好ましく、1ナノメートル以上10ナノメートル以下であるとより好ましい。   The nanowires 53 and 54 have a linear structure (pseudo one-dimensional structure). For example, the length of the nanowires 53 and 54 is preferably 100 nanometers to 1000 nanometers. The thickness of the nanowires 53 and 54 is a thickness that can secure a propagation path of magnon, for example, preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 10 nm or less. .

ナノワイヤ53,54と電極55,56との接合部には、スピンの伝導率を高める抵抗低下剤を付与してもよい。   A resistance lowering agent that increases the spin conductivity may be applied to the junction between the nanowires 53 and 54 and the electrodes 55 and 56.

次に、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の製造方法について説明する。図12に、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明するための概略工程図を示す。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. In FIG. 12, the schematic process drawing for demonstrating the manufacturing method of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment of this invention is shown.

まず、熱電変換素子を支える基板61を準備する。例えば、厚さ0.5mmのガドリニウムガリウムガーネット(以下、「GGG」という。)基板を用いることができる。   First, a substrate 61 that supports a thermoelectric conversion element is prepared. For example, a gadolinium gallium garnet (hereinafter referred to as “GGG”) substrate having a thickness of 0.5 mm can be used.

次に、基板61上に磁性体52を形成する。磁性体52は、例えば、有機金属堆積法(MOD(Metal Organic Deposition)法)、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(AD(Aerosol Deposition)法)などの方法により形成することができる。塗布・印刷ベースの成膜法を用いれば、大面積基板にも一括成膜することが可能で、生産性の高い製造が可能となる。例えば、GGG基板上に、イットリウム(Y)サイトの一部をBiで置換したイットリウム鉄ガーネット(組成BiYFe12。以下、「Bi−YIG」という。)を含有する磁性体52をエアロゾルデポジション法により堆積することができる。Bi−YIG原料には、直径300nmのBi−YIG微粒子を用いることができる。このBi−YIG微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、GGG基板は成膜チャンバ内のホルダーに固定する。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、Bi−YIG微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通してGGG基板上に吹き付けられる。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、GGG基板上にBi−YIG多結晶が形成される。基板ステージを2次元的にスキャンすることで、基板上に均一なBi−YIG磁性体52層を例えば膜厚0.1mmで成膜することができる。 Next, the magnetic body 52 is formed on the substrate 61. The magnetic body 52 can be formed, for example, by a method such as an organic metal deposition method (MOD (Metal Organic Deposition) method), a sol-gel method, an aerosol deposition method (AD (Aerosol Deposition) method). If a coating / printing-based film forming method is used, it is possible to form a film on a large area substrate in a lump, and manufacturing with high productivity becomes possible. For example, a magnetic substance 52 containing yttrium iron garnet (composition BiY 2 Fe 5 O 12, hereinafter referred to as “Bi-YIG”) in which a part of yttrium (Y) site is substituted with Bi on a GGG substrate is aerosolized. It can be deposited by the deposition method. Bi-YIG fine particles having a diameter of 300 nm can be used as the Bi-YIG raw material. The Bi-YIG fine particles are packed in an aerosol generation container, and the GGG substrate is fixed to a holder in the film forming chamber. In this state, a pressure difference is generated between the film forming chamber and the aerosol generating container, whereby Bi-YIG fine particles are drawn into the film forming chamber and sprayed onto the GGG substrate through the nozzle. The fine particles are crushed and recombined by the collision energy at the substrate at this time, and Bi-YIG polycrystal is formed on the GGG substrate. By scanning the substrate stage two-dimensionally, a uniform Bi-YIG magnetic body 52 layer can be formed on the substrate with a film thickness of, for example, 0.1 mm.

ナノワイヤ53,54は、例えば、電気化学的方法、適切な条件下での熱酸化等によって作製することができる。   The nanowires 53 and 54 can be produced, for example, by an electrochemical method, thermal oxidation under appropriate conditions, or the like.

電極55,56は、スパッタ法や蒸着法等の方法で作製することができる。また、インクジェット法やスクリーン印刷法のような生産性の高い製造方法で作製することもできる。   The electrodes 55 and 56 can be manufactured by a method such as sputtering or vapor deposition. Further, it can be manufactured by a highly productive manufacturing method such as an ink jet method or a screen printing method.

例えば、Bi−YIG52の表面を研磨した後、最初に、ナノワイヤの前駆層62となる膜厚1μmのFe層を、Bi−YIG52上にスパッタ法により成膜する。次に、電極55,56となる膜厚30nmのPt層をFe層62上にスパッタ法により成膜する。次に、これらを酸素雰囲気化において500℃の高温で5時間アニールすることで、Fe層の酸化、およびナノ構造化が進行し、Bi−YIGとPt層との間に直径50nm、長さ1μmの多数のヘマタイト(α−Fe)ナノワイヤ53,54を形成することができる。ナノワイヤの前駆層62を磁性体52の両端に形成した後に熱酸化してもよいし、磁性体52の片側ずつナノワイヤ53,54を形成してもよい。 For example, after polishing the surface of the Bi-YIG 52, an Fe layer having a thickness of 1 μm to be the nanowire precursor layer 62 is first formed on the Bi-YIG 52 by sputtering. Next, a Pt layer having a thickness of 30 nm to be the electrodes 55 and 56 is formed on the Fe layer 62 by sputtering. Next, these layers are annealed in an oxygen atmosphere at a high temperature of 500 ° C. for 5 hours, whereby the Fe layer is oxidized and nanostructured. The Bi-YIG and the Pt layer have a diameter of 50 nm and a length of 1 μm. A large number of hematite (α-Fe 2 O 3 ) nanowires 53 and 54 can be formed. The nanowire precursor layer 62 may be formed on both ends of the magnetic body 52 and then thermally oxidized, or the nanowires 53 and 54 may be formed on each side of the magnetic body 52.

上記方法によれば、磁気的に接続された磁性材料であるナノワイヤを容易に作製することができる。   According to the above method, nanowires that are magnetically connected magnetic materials can be easily produced.

次に、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子51の作用について説明する。熱電変換素子51においては、スピン流によるスピンゼーベック効果により起電力を発生させる。このスピン流によるゼーベック効果においては、磁性体52及びナノワイヤ53,54を流れる上向きスピン及び下向きスピンが第1実施形態におけるn型半導体材料の電子とp型半導体材料の正孔に対応している。スピン流は電極55,56内でスピン・軌道相互作用を用いた逆スピンホール効果により電子系に変換される。スピン流は平均自由行程が1cm近くと極めて大きく、散乱や緩和を伴わないために磁性体52では発熱が起きない。従って、熱電変換効率を高くする要素としては、高温部57と低温部58との温度差を保つために電極55,56及び磁性体52を流れるフォノンによる熱伝導を下げることが挙げられる。そこで、熱電変換素子51においては、電極55,56と磁性体52との間にナノワイヤ53,54を形成することにより、フォノン伝導を抑制している。すなわち、ナノワイヤ53,54が磁性材料である場合、スピン伝導はスピンチャネルを通して大きく散乱されることなく透過する。これにより、ナノワイヤ53,54を電極55,56と磁性体52との間に形成することにより熱電変換効率を高めることが可能になる。   Next, the operation of the thermoelectric conversion element 51 according to the second embodiment of the present invention will be described. In the thermoelectric conversion element 51, an electromotive force is generated by a spin Seebeck effect by a spin current. In the Seebeck effect by the spin current, the upward spin and the downward spin flowing through the magnetic body 52 and the nanowires 53 and 54 correspond to electrons of the n-type semiconductor material and holes of the p-type semiconductor material in the first embodiment. The spin current is converted into an electron system by the reverse spin Hall effect using the spin-orbit interaction in the electrodes 55 and 56. The spin current has an extremely large mean free path of about 1 cm and does not cause scattering or relaxation, so that no heat is generated in the magnetic body 52. Therefore, as a factor for increasing the thermoelectric conversion efficiency, in order to maintain the temperature difference between the high temperature portion 57 and the low temperature portion 58, there is a reduction in heat conduction by phonons flowing through the electrodes 55 and 56 and the magnetic body 52. Therefore, in the thermoelectric conversion element 51, phonon conduction is suppressed by forming nanowires 53 and 54 between the electrodes 55 and 56 and the magnetic body 52. That is, when the nanowires 53 and 54 are magnetic materials, the spin conduction is transmitted through the spin channel without being greatly scattered. Thereby, it becomes possible to increase the thermoelectric conversion efficiency by forming the nanowires 53 and 54 between the electrodes 55 and 56 and the magnetic body 52.

図13に、スピン流が電極からナノワイヤへ導入される際の模式図を示す。ナノワイヤ53,54においては、スピン発生の元となる電子間のクーロン反発相互作用により、上向きスピンが通過する伝導帯(上部ハバード帯)と下向きスピンが通過する伝導帯(下部ハバード帯)がそれぞれ分裂している。電極の状態密度とナノワイヤの伝導帯の状態密度の重なりを大きくすることができれば、スピン流の伝導性を向上させることが可能となる。   FIG. 13 shows a schematic diagram when the spin current is introduced from the electrode to the nanowire. In the nanowires 53 and 54, the conduction band through which the upward spin passes (upper Hubbard band) and the conduction band through which the downward spin passes (lower Hubbard band) are split due to the Coulomb repulsion interaction between the electrons that generate spin. is doing. If the overlap between the state density of the electrode and the state density of the conduction band of the nanowire can be increased, the conductivity of the spin current can be improved.

また、ナノワイヤ53,54は、第1実施形態と同様にして、電極55,56と磁性体52間の熱伝導性を低下させることにより、熱電変換効率を高めている。   The nanowires 53 and 54 increase the thermoelectric conversion efficiency by reducing the thermal conductivity between the electrodes 55 and 56 and the magnetic body 52 in the same manner as in the first embodiment.

本実施形態によれば、第1実施形態と異なり、n型ユニットとp型ユニットのように2種類の基本素子を必要としない。これにより、所要面積に対して効率よく熱電変換素子を形成することができる。また、発電量を高める場合には、図6に示す熱電変換モジュールのように複数の熱電変換素子を組み合わせる必要がなく大面積化が容易であり、電極と磁性体の接合面積を大きくするだけで発電量を高めることができる。   According to the present embodiment, unlike the first embodiment, two types of basic elements are not required unlike the n-type unit and the p-type unit. Thereby, a thermoelectric conversion element can be efficiently formed with respect to a required area. In addition, when the amount of power generation is increased, it is not necessary to combine a plurality of thermoelectric conversion elements as in the thermoelectric conversion module shown in FIG. 6, and it is easy to increase the area, and only the junction area between the electrode and the magnetic material is increased. The amount of power generation can be increased.

本発明の熱電変換素子及びその製造方法は、上記実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。   The thermoelectric conversion element and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the above embodiment, but are not limited to the above embodiment, and are within the scope of the present invention and within the basic technical idea of the present invention. It goes without saying that various modifications, changes and improvements can be included in the above embodiment. Further, various combinations, substitutions, or selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention.

本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。   Further problems, objects, and developments of the present invention will become apparent from the entire disclosure of the present invention including the claims.

上記実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下の記載には限定されない。   A part or all of the above embodiment may be described as in the following supplementary notes, but is not limited to the following description.

(付記1)
熱電変換材料である半導体材料と、
前記半導体材料に電気的に接続された少なくとも1つのナノワイヤと、
前記ナノワイヤと電気的に接続された電極と、を備え、
前記ナノワイヤは、半導体基材と、前記半導体基材の表面に付着したドーパントと、を有することを特徴とする熱電変換素子。
(Appendix 1)
A semiconductor material that is a thermoelectric conversion material;
At least one nanowire electrically connected to the semiconductor material;
An electrode electrically connected to the nanowire,
The nanowire includes a semiconductor base material and a dopant attached to the surface of the semiconductor base material.

(付記2)
前記ナノワイヤと前記電極との接合部に、前記ナノワイヤと前記電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤をさらに備えることを特徴とする付記1に記載の熱電変換素子。
(Appendix 2)
The thermoelectric conversion element according to appendix 1, further comprising a resistance lowering agent that reduces an electrical resistance between the nanowire and the electrode at a joint between the nanowire and the electrode.

(付記3)
前記半導体材料としてn型半導体材料と、p型半導体材料と、を備え、
前記ナノワイヤとして、前記n型半導体材料の一方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第1ナノワイヤと、前記n型半導体材料の他方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第2ナノワイヤと、前記p型半導体材料の一方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第3ナノワイヤと、前記p型半導体材料の他方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第4ナノワイヤと、を備え、
前記電極として、前記第1ナノワイヤと電気的に接続された第1電極と、前記第2ナノワイヤと電気的に接続された第2電極と、前記第3ナノワイヤと電気的に接続された第3電極と、前記第4ナノワイヤと電気的に接続された第4電極と、を備えることを特徴とする付記1又は2に記載の熱電変換素子。
(Appendix 3)
An n-type semiconductor material and a p-type semiconductor material as the semiconductor material,
As the nanowire, at least one first nanowire electrically connected to one end of the n-type semiconductor material, and at least one first wire electrically connected to the other end of the n-type semiconductor material. Two nanowires, at least one third nanowire electrically connected to one end of the p-type semiconductor material, and at least one first electrically connected to the other end of the p-type semiconductor material. 4 nanowires,
As the electrodes, a first electrode electrically connected to the first nanowire, a second electrode electrically connected to the second nanowire, and a third electrode electrically connected to the third nanowire And a fourth electrode electrically connected to the fourth nanowire. The thermoelectric conversion element according to appendix 1 or 2, characterized by comprising:

(付記4)
前記第1ナノワイヤと前記第1電極との接合部及び前記第2ナノワイヤと前記第2電極との接合部に、前記第1ナノワイヤと前記第1電極との電気抵抗及び前記第2ナノワイヤと前記第2電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤をさらに備え、
前記抵抗低下剤は、カルシウム及びカリウムのうち少なくとも一方を含有することを特徴とする付記3に記載の熱電変換素子。
(Appendix 4)
The junction between the first nanowire and the first electrode and the junction between the second nanowire and the second electrode have an electrical resistance between the first nanowire and the first electrode, and the second nanowire and the first electrode. It further comprises a resistance reducing agent that reduces the electrical resistance with the two electrodes,
The thermoelectric conversion element according to appendix 3, wherein the resistance reducing agent contains at least one of calcium and potassium.

(付記5)
前記第3ナノワイヤと前記第3電極との接合部及び前記第4ナノワイヤと前記第4電極との接合部に、記第3ナノワイヤと前記第3電極との電気抵抗及び前記第4ナノワイヤと前記第4電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤をさらに備え、
前記抵抗低下剤は、フラーレン及びペンタセンのうち少なくとも一方を含有することを特徴とする付記3又は4に記載の熱電変換素子。
(Appendix 5)
The junction between the third nanowire and the third electrode and the junction between the fourth nanowire and the fourth electrode are connected to the electrical resistance of the third nanowire and the third electrode, and the fourth nanowire and the fourth electrode. A resistance reducing agent that lowers the electrical resistance with the four electrodes;
The thermoelectric conversion element according to appendix 3 or 4, wherein the resistance lowering agent contains at least one of fullerene and pentacene.

(付記6)
各ナノワイヤのフェルミ準位が状態密度のピークにあることを特徴とする付記1〜5のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
(Appendix 6)
The thermoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 5, wherein the Fermi level of each nanowire is at the peak of the state density.

(付記7)
各ナノワイヤは、キャリアの伝導方向が擬一次元方向となるような構造を有することを特徴とする付記1〜6のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
(Appendix 7)
Each nanowire has a structure in which the carrier conduction direction becomes a quasi-one-dimensional direction, The thermoelectric conversion element according to any one of Supplementary notes 1 to 6, wherein

(付記8)
異なる導電型の前記ナノワイヤ間及び前記半導体材料間に隔離壁をさらに備えることを特徴とする付記1〜7のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
(Appendix 8)
The thermoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 7, further comprising an isolation wall between the nanowires of different conductivity types and between the semiconductor materials.

(付記9)
絶縁性を有する磁性体と、
前記磁性体と磁気的に接続された磁性材料を含有する少なくとも1つのナノワイヤと、
前記ナノワイヤと磁気的に接続された電極と、
を備えることを特徴とする熱電変換素子。
(Appendix 9)
An insulating magnetic material;
At least one nanowire containing a magnetic material magnetically connected to the magnetic body;
An electrode magnetically connected to the nanowire;
A thermoelectric conversion element comprising:

(付記10)
前記ナノワイヤとして、前記磁性体の一方の端部と磁気的に接続された少なくとも1つの第1ナノワイヤと、前記磁性体の他方の端部と磁気的に接続された少なくとも1つの第2ナノワイヤと、を備え、
前記電極として、前記第1ナノワイヤと磁気的に接続された第1電極と、前記第2ナノワイヤと磁気的に接続された第2電極と、を備えることを特徴とする付記9に記載の熱電変換素子。
(Appendix 10)
As the nanowire, at least one first nanowire magnetically connected to one end of the magnetic body, and at least one second nanowire magnetically connected to the other end of the magnetic body, With
The thermoelectric conversion according to appendix 9, wherein the electrode includes a first electrode magnetically connected to the first nanowire and a second electrode magnetically connected to the second nanowire. element.

(付記11)
各ナノワイヤは、スピンの伝導方向が擬一次元方向となるような構造を有することを特徴とする付記9又は10に記載の熱電変換素子。
(Appendix 11)
The thermoelectric conversion element according to appendix 9 or 10, wherein each nanowire has a structure in which a spin conduction direction is a quasi-one-dimensional direction.

(付記12)
各ナノワイヤの太さは、1ナノメートル〜1000ナノメートルであることを特徴とする付記1〜11のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
(Appendix 12)
The thickness of each nanowire is 1 nanometer-1000 nanometer, The thermoelectric conversion element as described in any one of the supplementary notes 1-11 characterized by the above-mentioned.

(付記13)
付記1〜12のいずれか一項に記載の熱電変換素子を複数配列したことを特徴とする熱電変換モジュール。
(Appendix 13)
A thermoelectric conversion module, wherein a plurality of the thermoelectric conversion elements according to any one of appendices 1 to 12 are arranged.

(付記14)
少なくとも1つの隣接する1対の熱電変換素子間において、少なくとも一方の電極を共有していることを特徴とする付記13に記載の熱電変換モジュール。
(Appendix 14)
14. The thermoelectric conversion module according to appendix 13, wherein at least one electrode is shared between at least one pair of adjacent thermoelectric conversion elements.

(付記15)
電極上に触媒を供給する工程と、
前記電極の上方に半導体材料を配置する工程と、工程と、
ナノワイヤの先端が前記半導体材料に接合又は接触するように、前記触媒から前記ナノワイヤを成長させる工程と、
前記ナノワイヤの表面にドーパントを付着させる工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 15)
Supplying a catalyst on the electrode;
Disposing a semiconductor material above the electrode; and
Growing the nanowire from the catalyst such that the tip of the nanowire is bonded or in contact with the semiconductor material;
Attaching a dopant to the surface of the nanowire;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including this.

(付記16)
前記ナノワイヤと前記電極との接合部に、前記ナノワイヤと前記電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤を供給する工程をさらに含むことを特徴とする付記15に記載の熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 16)
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to appendix 15, further comprising a step of supplying a resistance lowering agent that lowers an electrical resistance between the nanowire and the electrode to a joint between the nanowire and the electrode.

(付記17)
異なるドーパントを供給するナノワイヤ間に隔離壁を形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記15又は16に記載の熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 17)
The method for producing a thermoelectric conversion element according to appendix 15 or 16, further comprising a step of forming an isolation wall between nanowires supplying different dopants.

(付記18)
前記隔離壁は絶縁性を有することを特徴とする付記17に記載の熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 18)
18. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to appendix 17, wherein the isolation wall has an insulating property.

(付記19)
前記ナノワイヤの表面にドーパントを付着させる工程において、
フェルミ準位が状態密度のピーク位置となるようにドーパントを付着させることを特徴とする付記15〜18のいずれか一項に記載の熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 19)
In the step of attaching a dopant to the surface of the nanowire,
The method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of appendices 15 to 18, wherein the dopant is attached so that the Fermi level is a peak position of the state density.

(付記20)
磁性体を形成する工程と、
前記磁性体上にナノワイヤ前駆層を形成する工程と、
前記ナノワイヤ前駆層上に電極を形成する工程と、
前記ナノワイヤ前駆層を酸化させて、少なくとも1つのナノワイヤを形成する工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
(Appendix 20)
Forming a magnetic material;
Forming a nanowire precursor layer on the magnetic material;
Forming an electrode on the nanowire precursor layer;
Oxidizing the nanowire precursor layer to form at least one nanowire;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including this.

本発明の熱電変換素子及び熱電変換モジュールは、例えば、パソコン、携帯電話等の電子機器から排出される廃熱の電源への再利用、ウェアラブルな電子機器やセンサーへの給電素子、夜間の太陽電池を補完する予備電源、寒冷地での屋内外の温度差を利用したヒーター、高熱を発生させるリチウム電池電気系統における熱電変換装置として利用することができる。   The thermoelectric conversion element and the thermoelectric conversion module of the present invention can be reused, for example, as a power source for waste heat discharged from electronic devices such as personal computers and mobile phones, power supply elements for wearable electronic devices and sensors, and nighttime solar cells. It can be used as a standby power source that complements the above, a heater that uses a temperature difference between indoor and outdoor in a cold region, and a thermoelectric conversion device in a lithium battery electrical system that generates high heat.

1 熱電変換素子
2 n型半導体材料
3 p型半導体材料
4〜7 第1〜第4ナノワイヤ
8〜11 第1〜第4電極
12 高温部
13 低温部
21 半導体基材
21a 表面欠陥・乱れ
22 ドーパント
23 電子又は正孔の流れ
24 フォノンの流れ
31 触媒
32 抵抗低下剤
33 ガス流
34 電界
35 隔離壁
41 第1電極
42 第2電極
51 熱電変換素子
52 磁性体
53,54 第1〜第2ナノワイヤ
55,56 第1〜第2電極
57 高温部
58 低温部
61 基板
62 ナノワイヤ前駆層
100 熱電変換モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric conversion element 2 N-type semiconductor material 3 P-type semiconductor material 4-7 1st-4th nanowire 8-11 1st-4th electrode 12 High temperature part 13 Low temperature part 21 Semiconductor base material 21a Surface defect and disorder 22 Dopant 23 Electron or hole flow 24 Phonon flow 31 Catalyst 32 Resistance reducing agent 33 Gas flow 34 Electric field 35 Separating wall 41 First electrode 42 Second electrode 51 Thermoelectric conversion element 52 Magnetic body 53, 54 First to second nanowire 55, 56 First and second electrodes 57 High temperature part 58 Low temperature part 61 Substrate 62 Nanowire precursor layer 100 Thermoelectric conversion module

Claims (10)

熱電変換材料である半導体材料と、
前記半導体材料に電気的に接続された少なくとも1つのナノワイヤと、
前記ナノワイヤと電気的に接続された電極と、を備え、
前記ナノワイヤは、半導体基材と、前記半導体基材の表面に付着したドーパントと、を有することを特徴とする熱電変換素子。
A semiconductor material that is a thermoelectric conversion material;
At least one nanowire electrically connected to the semiconductor material;
An electrode electrically connected to the nanowire,
The nanowire includes a semiconductor base material and a dopant attached to the surface of the semiconductor base material.
前記ナノワイヤと前記電極との接合部に、前記ナノワイヤと前記電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a resistance lowering agent that reduces an electrical resistance between the nanowire and the electrode at a joint between the nanowire and the electrode. 前記半導体材料としてn型半導体材料と、p型半導体材料と、を備え、
前記ナノワイヤとして、前記n型半導体材料の一方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第1ナノワイヤと、前記n型半導体材料の他方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第2ナノワイヤと、前記p型半導体材料の一方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第3ナノワイヤと、前記p型半導体材料の他方の端部と電気的に接続された少なくとも1つの第4ナノワイヤと、を備え、
前記電極として、前記第1ナノワイヤと電気的に接続された第1電極と、前記第2ナノワイヤと電気的に接続された第2電極と、前記第3ナノワイヤと電気的に接続された第3電極と、前記第4ナノワイヤと電気的に接続された第4電極と、を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
An n-type semiconductor material and a p-type semiconductor material as the semiconductor material,
As the nanowire, at least one first nanowire electrically connected to one end of the n-type semiconductor material, and at least one first wire electrically connected to the other end of the n-type semiconductor material. Two nanowires, at least one third nanowire electrically connected to one end of the p-type semiconductor material, and at least one first electrically connected to the other end of the p-type semiconductor material. 4 nanowires,
As the electrodes, a first electrode electrically connected to the first nanowire, a second electrode electrically connected to the second nanowire, and a third electrode electrically connected to the third nanowire The thermoelectric conversion element according to claim 1, further comprising: a fourth electrode electrically connected to the fourth nanowire.
絶縁性を有する磁性体と、
前記磁性体と磁気的に接続された磁性材料を含有する少なくとも1つのナノワイヤと、
前記ナノワイヤと磁気的に接続された電極と、
を備えることを特徴とする熱電変換素子。
An insulating magnetic material;
At least one nanowire containing a magnetic material magnetically connected to the magnetic body;
An electrode magnetically connected to the nanowire;
A thermoelectric conversion element comprising:
前記ナノワイヤとして、前記磁性体の一方の端部と磁気的に接続された少なくとも1つの第1ナノワイヤと、前記磁性体の他方の端部と磁気的に接続された少なくとも1つの第2ナノワイヤと、を備え、
前記電極として、前記第1ナノワイヤと磁気的に接続された第1電極と、前記第2ナノワイヤと磁気的に接続された第2電極と、を備えることを特徴とする請求項4に記載の熱電変換素子。
As the nanowire, at least one first nanowire magnetically connected to one end of the magnetic body, and at least one second nanowire magnetically connected to the other end of the magnetic body, With
5. The thermoelectric device according to claim 4, comprising a first electrode magnetically connected to the first nanowire and a second electrode magnetically connected to the second nanowire as the electrodes. Conversion element.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱電変換素子を複数配列したことを特徴とする熱電変換モジュール。   A thermoelectric conversion module in which a plurality of the thermoelectric conversion elements according to claim 1 are arranged. 電極上に触媒を供給する工程と、
前記電極の上方に半導体材料を配置する工程と、
ナノワイヤの先端が前記半導体材料に接合又は接触するように、前記触媒から前記ナノワイヤを成長させる工程と、
前記ナノワイヤの表面にドーパントを付着させる工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
Supplying a catalyst on the electrode;
Disposing a semiconductor material above the electrodes;
Growing the nanowire from the catalyst such that the tip of the nanowire is bonded or in contact with the semiconductor material;
Attaching a dopant to the surface of the nanowire;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including this.
前記ナノワイヤと前記電極との接合部に、前記ナノワイヤと前記電極との電気抵抗を低下させる抵抗低下剤を供給する工程をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の熱電変換素子の製造方法。   The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 7, further comprising a step of supplying a resistance lowering agent that reduces an electrical resistance between the nanowire and the electrode to a joint portion between the nanowire and the electrode. . 前記ナノワイヤの表面にドーパントを付着させる工程において、
フェルミ準位が状態密度のピーク位置となるようにドーパントを付着させることを特徴とする請求項7又は8に記載の熱電変換素子の製造方法。
In the step of attaching a dopant to the surface of the nanowire,
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 7 or 8, wherein the dopant is attached so that the Fermi level is a peak position of the state density.
磁性体を形成する工程と、
前記磁性体上にナノワイヤ前駆層を形成する工程と、
前記ナノワイヤ前駆層上に電極を形成する工程と、
前記ナノワイヤ前駆層を酸化させて、少なくとも1つのナノワイヤを形成する工程と、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
Forming a magnetic material;
Forming a nanowire precursor layer on the magnetic material;
Forming an electrode on the nanowire precursor layer;
Oxidizing the nanowire precursor layer to form at least one nanowire;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including this.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11245061B2 (en) 2019-04-26 2022-02-08 Korea Institute Of Science And Technology Thermoelectric device having a separate interlayer disposed between a thermoelectric leg and an electrode to reduce the contact resistance therebetween

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