環境調和型高性能熱電変換ナノ材料の開発

取組要旨

エネルギー消費量のうち60%は廃熱として捨てられており、この莫大な廃熱をターゲットとした熱電変換が新たなクリーンエネルギーとして注目されています。熱電変換効率向上のためには、低熱伝導率と高電気伝導率、高ゼーベック係数を同時に達成する必要があります。しかし、それらの３物性値にはトレードオフ関係があり、変換効率向上は困難でした。また、従来の熱電材料には、高性能を示す高価・有毒な重元素が主に用いられ、社会応用の面での課題もありました。これまで我々は、原子レベルで制御した独自のナノ構造形成技術を開発してきました。近年、この独自技術を用いて熱電変換に応用したところ、原子レベルで制御された界面は、フォノン散乱を増強する一方で、電子輸送には影響を及ぼさないということを発見しました。これにより、至上命題であった3物性値の独立制御を達成し、IV族元素を中心とする軽元素のみで構成した環境調和型高性能薄膜熱電材料を開発しました。本研究は、ナノ構造物理に基づいた熱・電気の輸送学理を新規構築するとともに、IoTセンサ電源等といった社会応用も可能にする学術面・社会面の両面に貢献するものと言えます。

研究成果・インパクト

我々は、ナノ構造形成技術を駆使して環境調和型の軽元素材料において熱と電気の独立制御を可能にしました。これは、環境調和型の軽元素材料を熱電材料の主役に引き上げる産業・社会的意義の高い成果と言えます。現在、COVID-19や高齢化社会により遠隔通信をベースとした新たな生活様式に移行しつつあります。こうした社会の流れに対して、我々はナノ構造を用いた持続可能な薄膜熱電電源をセンサに組み込むことで、新たな生活様式を支えるための遠隔通信サービスを可能にします。これにより、医療・農業を含む幅広い社会分野を支えることを目指します。

担当研究者

教授　中村 芳明、助教　石部 貴史（基礎工学研究科　システム創成専攻　電子光科学領域）

備考

・https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210129_1
・https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2018/20181031_2
・https://www.jst.go.jp/pr/announce/20141210/

キーワード

ナノ構造／薄膜／界面制御／量子効果

応用分野

熱電変換／熱制御素子