파란색 LED 재료를 바카라 필승법하여 열을 전기로 변환

Hokkaido University (회장 : Nawa Toyoharu), 한국 Sungkyunkwan University (대통령 :Chung Kyu Sang), 국립 선진 산업 과학 기술 연구소 (의장 : Nakabachi Ryoji)는파란색광 방출 다이오드^{참고 1)}| 8328_8367 |의 재료 인 질화 갈륨 (GAN) 반도체로 만들어진 전자의 움직임을 쉽게 바카라 필승법합니다바카라 필승법 2D 전자 가스^{참고 2)}를 발견했습니다 이미 실용적으로 바카라 필승법중인 열전 전환 재료보다 2 ~ 6 배 더 큰 열전 전환 출력 계수를 나타냅니다 2 차원 전자 가스는 전자가 축적되는 나노 미터 (NM)의 매우 얇은 층이다 최근 몇 년 동안 미국과 중국에서 고성능 열전 전환 재료가보고되었지만 성능을 재현 할 수없는 것과 같이 실질적으로이를 구현해야 할 많은 어려움이 있습니다 이 발견은 온도 차이를 전기로 직접 변환하는 열전 재료의 성능을 향상시키기위한 강력한 재료 설계 안내서를 제공 할 것으로 예상됩니다 앞으로 공장, 전력 발전소 및 자동차의 폐열을 효과적으로 활용하는 기술로 이어질 것입니다

연구 논문 이름 :고 이동성 2D 전자 가스의 높은 열전 전력 계수(높은 이동성 2 차원 전자 가스에 대한 높은 열전 전환 출력 계수)
저자 : Ota Hiromichi^1,2, Kim Seiyu³, Kaneki Shota², Yamamoto Jun⁴, Hashizume Yasu^2,5
（¹Hokkaido University Institute of Electronic Science,²Hokkaido University 정보 과학 대학원,³Sungkyunkan University,⁴고대 산업 과학 및 기술에너지 절약 연구 부서、⁵Hokkaido University의 Koku Integrated Electronics Research Center)
게시 된 잡지 :고급 과학(독일 Wiley의 Open Access Journal)
게시 날짜 : 2017 년 11 월 24 일 금요일 (온라인 릴리스)

(배경)

금속 및 바카라 필승법Seebeck 효과^{참고 3)}를 바카라 필승법하여 온도 차이를 전기로 직접 변환 할 수있는 열전 전환은 공장, 화력 발전소 및 자동차를 전기 에너지로 직접 변환하는 청정 에너지 변환 기술로 주목을 받고 있습니다 이 열전 전환 기술에서 바카라 필승법될 수있는 반도체 (= 열전 전환 재료)의 열 전기 변환 성능은 1 ° C (열전 전력^{참고 4)}、S), 내부 저항의 역수 (전도도,σ), 열 전달의 용이성 (열전도도,κ), 평균 온도T를 바카라 필승법하여 다음 방정식에 의해 결정됩니다

　　　열전 변환 그림ZT = S²×σ×T／κ

즉, 온도 차이를 쉽게 만들고 전압이 크며 쉽게 흐르는 재료는 우수한 열전 전환 재료입니다 열 전기 변환 효율은이 공로의 수치입니다ZT| 열전 전환 재료에 적용되는 온도 차이의 크기에 의해 결정됩니다 예를 들어,ZT10498 |가있는 열전 전환 재료에 700 ° C (자동차 엔진 근처의 열에 해당하는)의 온도 차이가 약 17%입니다

현재의 공로ZT10559_10711ZT(> 1), 그러나 Tellurium의 희귀 성 (백금보다 천연 자원이 적고 비싸다)과 독성으로 인해 이러한 요소를 바카라 필승법하지 않는 열전 전환 재료의 개발은 전 세계적으로 활성으로 수행되고 있습니다

최근 미국과 중국의 연구원들은 일련의 고성능 열전 전환 재료를 경험 해 왔습니다 (ZT> 2)가 발표되었으며, 열전 전환 재료에 대한 많은 연구자들이 이에주의를 기울이고 있지만, 성능 재현성 문제를 포함하여 실질적인 바카라 필승법으로이를 구현해야 할 많은 어려움이 있습니다 그 주된 이유는이 물질에 바카라 필승법 된 세라믹과 소결 바디 (베이킹 파우더로 만든 샘플)에 많은 입자 경계 (곡물 사이의 경계)가 있고 입자 크기와 방향이 고르지 않기 때문에 각 샘플이 바카라 필승법되기 때문입니다ZT| 큰 차이입니다ZT11172_11236

이번에는 호카이도 대학교 전자 과학 연구소의 오타 히로 미치 교수, 대학의 양자 통합 전자 연구 연구소의 Hashizume Hajime 교수, 한국의 Sungkyunkan University의 Kim Seio 교수, 그리고 Yamamoto Jun Research Group of the Instations를 바카라 필승법하여 "Single Cressionals"를 바카라 필승법하여 "Single Cressionals"를 바카라 필승법하여 "Single Cressionals"를 수행하지 않았다 단순히 "열전 재료를 어떻게 개선 할 수 있습니까?" 열전 전환 재료의 향후 개선으로 이어질 자재 설계 지침을 제안합니다 열전 재료의 성능을 향상시키기 위해 열전 전환 출력 계수 (S²×σ) 및 열전도도, 열 속성κ를 줄이는 방법이 있지만,이 연구에서는 열전 변환 출력 계수를 향상시키고 실험을 통해이를 테스트하기위한 가설을 공식화했습니다

구체적으로, 본 발명자들은 청색광 방출 다이오드 (그림 1) 일반적으로, 바카라 필승법 질화 질화염의 전기 흐름 (전도도)의 용이성 (전도도)을 증가시키기 위해, 실리콘과 같은 불순물이 혼합된다 이때, 실리콘은 질화 질화물 결정에서 이온이되어 전기 전도를 담당하는 전자를 생산한다 온도 차이가 이러한 바카라 필승법 질화염에 적용될 때, 전압 (열 전자 동력)이 생성되고, 더 따뜻한 쪽에서 더 따뜻한쪽으로 전자가 흐르지 만, 이온화 ​​된 실리콘은 전자의 흐름을 방해하여 훨씬 더 높은 전도도를 방해하지 않는다 다시 말해, 전형적인 바카라 필승법 질화 질화물은 큰 열전 출력을 제공 할 수 없습니다

한편, 바카라 필승법 2 차원 전자 가스의 경우, 불순물을 혼합하기보다는 질화 질화물 결정의 전자를 정적 전기를 통해 얇은 영역으로 수집함으로써 전도도가 증가한다 불순물이 포함되어 있지 않기 때문에, 우리는 2 차원 전자 가스의 전자가 고속으로 움직일 수 있고 큰 열전 출력을 나타낼 수 있다고 예측했다

(연구 방법)

　그림 2A이 연구에서 생성 된 반도체 2 차원 전자 가스의 개략도를 보여줍니다 이번에는 절연체 층 (알루미늄 산화 알루미늄, 30 nm 두께)을 반도체 질화 알루미늄 갈륨 질화물 (ALGAN)/GAN으로 제작하여 정전기 힘을 변화시키기 위해 반도체 2 차원 전자 가스에 놓았으며, 3- 말단 박막 트랜지스터 구조를 공급원, 배수 및 게이트 전극으로 열 전기 효과로 제조 하였다 게이트와 소스 전극 사이에 음의 전압이 가해지면 2 차원 전자 가스가 바카라 필승법됩니다전자 ​​농도^{참고 5)}양의 전압이 가해지면 감소하고, 2 차원 전자 가스의 전자 농도가 증가합니다 트랜지스터 특성 및 열전 효과는 다음과 같습니다그림 2B

(연구 결과)

바카라 필승법 2 차원 전자 가스의 전자 농도는 정전기력 (게이트 전압)을 변화시킴으로써 제어되었고, 당시의 전자 이동성은 측정되었다 (그림 3A) 예상 한 바와 같이, 시트 전자 농도가 증가하더라도, 2 차원 바카라 필승법 전자 가스의 전자 이동성은 감소하지 않으며, 10¹²CM^-210¹³CM^-22 V^-1 s^-1보다 더 큰 전자 이동성이 발견되었습니다 유지됩니다 한편, 열전 전력의 절대 값은 일반 바카라 필승법에서 볼 수있는 경향과 유사하게 시트 전자 농도가 증가함에 따라 감소했다 (그림 3B) 보고 된 전형적인 바카라 필승법 갈륨 질화물의 열전력과 전자 농도 사이의 관계에 기초하여,보고 된, 2 차원 전자 가스의 순 전자 농도를 계산하고, 전도도에 측정 된 이동성에 곱한다σ계산되었습니다

　그림 4A바카라 필승법 2 차원 전자 가스의 열전 전환 출력 계수의 전자 농도 의존성을 보여준다 바카라 필승법 2 차원 전자 가스의 최대 출력 계수는 약 9mW m^-1 K^-2매우 큰 것으로 판명되었습니다 이것은 전형적인 바카라 필승법 질화물 (1 MW M^-1 K^-2-1 K^-2)의 값의 2 ~ 6 배에 해당합니다 이 큰 출력 인자는 일반적으로 바카라 필승법에서 불순물 농도가 증가함에 따라 전자 이동성이 크게 감소하는 반면 바카라 필승법 2 차원 전자 가스에서는 큰 전자 이동성이 유지 될 수 있기 때문에 (그림 4B）。

(전문가를위한 추가 설명)

바카라 필승법 2 차원 전자 가스에서 전자는 정전기력에 의해 수집되므로 전자가 모이는 영역의 두께를 추정해야합니다 (보충 다이어그램) 이 연구에서, 우리는 게이트에 각 전압을 적용 할 때 2 차원 바카라 필승법 전자 가스의 열전력이 전형적인 바카라 필승법의 열전력의 전자 농도 의존성과 같다고 가정 할 때, 전자가 축적되는 층의 두께를 추정했다 결과는 –5V 이상의 전압이 적용될 때 두께가 2nm이기 때문에 측정이 정확하다는 것을 보여 주었고, 이는 2 차원 전자 가스의보고 된 두께와 일치했다 또한 전압을 –5V 미만으로 가하는 것은 2 차원 전자 가스의 두께가 20 nm로 증가 할 수 있음을 발견했습니다

또한, 1993 년 미국 매사추세츠 주립 기술 연구소의 Dresselhouse 교수가 제안한 이론은 초 얇은 2 차원 전자층이 큰 열전 전력을 보여 주었다는 것이이 결과에 적용되지 않았다고 제안했다 전자 농도가 불충분하기 때문에 이는 향후 세부 사항이 고려 될 것으로 추정됩니다

(미래에 대한 기대)

이 발견은 반도체 2 차원 전자 가스와 같은 높은 전자 이동성을 유지하면서 전자 농도를 제어 할 수있는 구조가 열전 재료의 성능을 향상시키는 열쇠임을 분명히 보여줍니다 이번에 바카라 필승법 된 질산 질화물 반도체 2 차원 전자 가스는 매우 비싼 단결정 기판에서만 제조 될 수 있으며 열전도율이 높기 때문에 직접 바카라 필승법할 수 없습니다 그러나, 열전 전환 출력을 증가시키기 위해 2 차원 반도체 전자 가스의 높은 전자 이동성을 바카라 필승법하는 모델은 아직 실용적이지 않은 열전 재료의 성능을 향상시키기위한 재료 설계 지침을 제공 할 것으로 예상된다

참고 1) 블루 라이트 방출 다이오드 (파란색 LED)

Nagoya University의 Akisaki Isamu 교수, 명예 및 Amano Hiroshi 교수가 개발 한 질화 질화물 (GAN) 반도체로 만든 가벼운 방출 다이오드 아카사키 교수와 아 마노 교수는 2014 년 산타 바바라 대학 캘리포니아 대학교 나카 무라 수지 교수와 함께 2014 년에 노벨 물리학상을 수상했습니다 블루 LED는 현재 신호등, 조명, LCD 백라이트 및 자동차 헤드 라이트를 포함하여 전 세계에서 바카라 필승법됩니다[참조로 돌아 가기]

참고 2) 바카라 필승법 2 차원 전자 가스

긍정적으로 하전 된 정전기에 의해 바카라 필승법 표면 (인터페이스)에 음으로 하전 된 전자를 수집함으로써 몇 개의 NM 두께의 전자가 축적되는 층 그것의 특징은 불순물을 포함하지 않고 전자 이동성이 높다는 것입니다[참조로 돌아 가기]

참고 3) Seebeck Effect

1821 년, 에스토니아 물리학 자 T J Seebeck, 가열 비 유사 금속 접합의 효과는 전압을 생성합니다 Discoverer의 이름으로 SeeBeck 효과라고합니다 열전 전환 재료 외에도, 서핑 효과는 열전대 (온도계)의 센서 섹션에 바카라 필승법됩니다[참조로 돌아 가기]

참고 4) 열전 전력

온도 차이가 바카라 필승법 또는 금속로드에 적용될 때 양쪽 끝에서 발생하는 전자력의 온도 계수 SeeBeck 계수라고도합니다 이것은 열전 변환 재료의 전압을 결정하는 중요한 물리적 특성 값입니다[참조로 돌아 가기]

주 5) 시트 전자 농도 및 전자 농도

1 cm²시트 전자 농도라고합니다 단위는 CM^–2전자 농도 (단위 : CM^–3)와 별도로 바카라 필승법됩니다[참조로 돌아 가기]