【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.31】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24OS1021
利用課題名 / Title
高品質界面を有するエピタキシャルZnO薄膜の熱電性能向上
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学 / Osaka Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
熱電材料・素子/ Thermoelectric materials
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
小松原 祐樹
所属名 / Affiliation
大阪大学 大学院 基礎工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
北浦 怜旺奈,上月 聖也,平田 悠海,吉崎 高士,柴垣 新,桑原 陸,門 瑞起,道端 亜澄,宮本 哲士
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
OS-114：RFスパッタ成膜装置（金属成膜用）
OS-115：RFスパッタ成膜装置（絶縁体成膜用）
OS-117：EB蒸着装置
OS-119：自動制御型パルスレーザ蒸着ナノマテリアル合成装置
OS-126：接触式膜厚測定器
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、熱電発電の応用先拡大に向け、透明な熱電薄膜材料に注目した。透明熱電材料である酸化亜鉛薄膜は、薄膜-基板界面でのフォノン散乱に由来する低い熱伝導率を有するが、ドメイン界面でキャリアが散乱され、出力因子が低減する。そこで、単結晶の酸化亜鉛薄膜をエピタキシャル成長させ、高品質なドメイン界面を形成し、界面でのキャリア散乱を抑制することで、低熱伝導率と高熱電出力因子の両立を目的とした。
まず、単結晶酸化亜鉛薄膜のエピタキシャル成長が可能か調査するため、PLD(Pulsed Laser Deposition)法を用いて、サファイア基板をはじめ、様々な基板上にZnO薄膜を成膜した。また、様々な成長条件で作製した試料の熱電特性を評価し、ドメイン界面の品質と熱電性能との関係を調査した。
実験 / Experimental
支援機関の自動制御型パルスレーザ蒸着ナノマテリアル合成装置を用い、ZnO薄膜をc面サファイア基板、熱酸化膜付きSi基板上へ成膜した。作製したZnO薄膜の膜厚は、支援機関の接触式膜厚測定器を用いて計測した。支援機関のOS-120（薄膜X 線回折装置）を用いて構造評価を行った。支援機関のEB蒸着装置を用い、作製した試料表面に電極を成膜し、出力因子を評価した。支援機関のスパッタ成膜装置（金属成膜用と絶縁体成膜用）を用いて試料表面にモリブデン薄膜を形成し、熱伝導率の測定を行った。電気特性とゼーベック係数は当研究室が所持する評価装置で測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
基板温度565℃、酸素分圧0.2Paでc面サファイア基板と熱酸化膜付きSi基板上に200 nmの膜厚を有するZnO薄膜を形成したところ、c面サファイア基板上のZnO薄膜（ZnO/c）はエピタキシャル薄膜であることが分かった（図１）。一方、熱酸化膜付きSi基板上のもの（ZnO/SiO2/Si）は多結晶薄膜であった。作製した試料の移動度を測定すると、ZnO/cの移動度はZnO/SiO2/Siのそれと比べて高い値を示した。これにより、ZnO/cのほうがZnO/SiO2/Siより高い熱電出力因子を示した。これらのことはZnO/cにおいて高品質なドメイン界面が形成されていることを意味する。次に、試料表面にモリブデン膜を成膜し、ZnO/cの熱伝導率の測定を行った。その結果、ZnOのバルクと比べて3-4倍程度低い値を示した。これは基板薄膜界面やドメイン界面でフォノンが散乱されたことが原因として考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
「投稿予定」掲載論文名（予定）：ACS Nano、発表（掲載）年月（日）：未投稿のため未定、著者名：Yuki Komatsubara et al.、公開猶予
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件