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パソコンの廃熱を効率よく電気に変換 シリコンを用いた熱電変換ナノ材料

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パソコンの廃熱を効率よく電気に変換 シリコンを用いた熱電変換ナノ材料

大阪大学などは、シリコンのナノドット結晶を結晶方位をそろえて連結することで、レアメタルを使わずに、高い電気伝導率で低い熱伝導率という熱電変換の高性能化に必要な特性を実現した。独自開発したナノドット形成技術を応用することで、電気伝導率の悪化を適切に抑え、熱伝導率をバルクSi(シリコン)の約1/200まで低減することが可能となり、さらにSiの熱伝導率の世界最小値を得ることに成功した。

ナノドット連結構造とキャリア伝導とフォノン伝導の概念図

ナノドット連結構造とキャリア伝導とフォノン伝導の概念図
ナノドット連結構造の模式図と、この構造中をキャリアとフォノンが伝導する概念図。

この結果は、地球上にありふれた環境調和性の高いユビキタス元素であるSiを用いた高性能の「熱電変換材料」実現の可能性を示している。優れた電子素子材料であるSiが高い熱電変換機能をもつことができれば、電子素子材料と熱電変換材料を融合した素子が作製でき、パソコンやサーバーから排出される廃熱を電気エネルギーとして再利用できる。

これは、将来迎えるといわれるセンサーネットワーク社会において、さまざまな場所に配置されるセンサーなどに組み込まれる電子素子へのエネルギー供給問題解決への糸口になるものと考えられる。なお、今回の開発は、JST戦略的創造研究推進事業において行われた。

廃熱エネルギーを電気エネルギーとして再利用するための「熱電変換材料」には、従来、レアメタルや毒性を持つことの多い重い元素を含んだ材料が使われており、より安価で環境に低負荷な材料が求められている。ゼーベック係数と電気伝導率が高く、熱伝導率が低い材料が高性能の熱電変換材料となるが、この3つの物性値は互いに相関があるため、全ての物性値を最適化して高性能化を目指すことは難しい。

一般的に重い元素を含む材料が高性能な熱電変換特性を示すが、重い元素はレアメタルや毒性を持つことが多く、熱電変換材料が社会に普及する障害となってきた。一方、ナノメートルスケール(ナノは10億分の1)の構造(ナノ構造)を材料に導入することによって熱電変換性能が向上するということが近年注目を浴び始めているが、その高性能化の方法論はいまだ確立していない。

Siナノドット結晶材料をベースとして、今後キャリアの濃度制御などのさらなる最適化をすることで、極めて小さい熱伝導率を持ったまま、より大きい電気伝導率と大きいゼーベック係数を得ることが期待できる。この研究が成功すれば、ナノ構造を用いた熱電変換高性能化の方法論が構築されることになり、Si以外のさまざまな材料の高性能化への応用が期待できる。また、ナノ構造を用いた熱電変換高性能化が成功すれば、Siを用いた熱電変換材料が実現可能となり、熱電変換材料の社会普及につながることが期待される。

さらに、Siは電子素子材料であるため、高い熱電変換機能を持たせることにより、電子素子動作中の熱エネルギーを利用した熱電発電が可能となる。現在、電子素子が使われているパソコンやサーバーは莫大な量の熱を廃棄しており、放熱・冷却のためにエネルギーをさらに使用するといった状況がある。Siを用いて電子素子からの廃熱を電気として再利用できれば、社会へのインパクトは多大なものとなる。

【参考】
科学技術振興機構(JST) - 世界最小熱伝導率の結晶シリコン材料の実現

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