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JP2010147379A - Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element - Google Patents

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JP2010147379A
JP2010147379A JP2008325344A JP2008325344A JP2010147379A JP 2010147379 A JP2010147379 A JP 2010147379A JP 2008325344 A JP2008325344 A JP 2008325344A JP 2008325344 A JP2008325344 A JP 2008325344A JP 2010147379 A JP2010147379 A JP 2010147379A
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JP
Japan
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thermoelectric conversion
conversion material
thermal conductivity
linear structures
carbon nanotube
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Application number
JP2008325344A
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Japanese (ja)
Inventor
Shintaro Sato
信太郎 佐藤
Daisuke Iwai
大介 岩井
Daiyu Kondo
大雄 近藤
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element that have high electrical conductivity, low thermal conductivity, and high efficiency. <P>SOLUTION: The thermoelectric conversion material includes a plurality of linear structures 20 of carbon elements, and thermal conductivity decrease substances 22 included in the linear structures 20 and decreasing the thermal conductivity of the linear structures 20. Consequently, the thermoelectric conversion material can decrease the thermal conductivity of the linear structures 20 while maintaining the electrical conductivity that the linear structures 20 have, and also has a high figure ZT of merit and high efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱電変換材料及び熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element.

熱を電力に変える技術、すなわち熱電変換技術は、産業用品、民生用品の廃熱を電力として有効活用できることから、地球温暖化防止に向けた重要技術として位置づけられている。   Technology that converts heat into electric power, that is, thermoelectric conversion technology, is positioned as an important technology for the prevention of global warming because waste heat from industrial and consumer products can be used effectively as electric power.

熱電変換デバイスは、一般的に、P型、N型の半導体熱電変換材料を電極で挟んだ構造を有している。熱電変換材料が高効率であるためには、ZTと呼ばれる無次元性能指数が大きい必要がある。性能指数ZTが高くなるためには、1)高いゼーベック係数を持つこと、2)高い電気伝導率を持つこと、3)低い熱伝導率を持つこと、が必要であるが、特に2),3)は相反することが多い。   A thermoelectric conversion device generally has a structure in which P-type and N-type semiconductor thermoelectric conversion materials are sandwiched between electrodes. In order for the thermoelectric conversion material to be highly efficient, a dimensionless figure of merit called ZT needs to be large. In order to increase the figure of merit ZT, it is necessary to 1) have a high Seebeck coefficient, 2) have a high electrical conductivity, and 3) have a low thermal conductivity, especially 2) and 3 ) Often conflict.

高い電気伝導率と低い熱伝導率とを同時に満たすために、熱伝導が主としてフォノン伝導による物質において、フォノン伝導を阻害するという試みが行われている。その一つの手法として、材料をナノ構造化することが挙げられる。材料をナノ構造化することにより、ナノ構造の界面においてフォノンが散乱され、熱伝導を低下させることが可能である。
特開2004−087714号公報 特開2005−183528号公報
In order to satisfy both high electrical conductivity and low thermal conductivity at the same time, an attempt has been made to inhibit phonon conduction in a material in which thermal conduction is mainly phonon conduction. One method is to make the material nanostructured. By making the material nanostructured, phonons are scattered at the interface of the nanostructure, and heat conduction can be reduced.
JP 2004-087714 A JP 2005-183528 A

しかしながら、材料をナノ構造化すると、それによって電気伝導も同時に阻害されることが多い。このため、高い電気伝導率と低い熱伝導率を同時に満たすことは困難であり、現状では十分に高い性能指数ZTを有する熱電変換材料が得られていなかった。   However, when the material is nanostructured, it often inhibits electrical conduction at the same time. For this reason, it is difficult to satisfy high electrical conductivity and low thermal conductivity at the same time, and no thermoelectric conversion material having a sufficiently high figure of merit ZT has been obtained at present.

本発明の目的は、電気伝導率が高く熱伝導率が低い高効率の熱電変換材料及び熱電変換素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a highly efficient thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element having high electrical conductivity and low thermal conductivity.

実施形態の一観点によれば、炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料が提供される。   According to one aspect of the embodiment, a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity-decreasing substance that is included in the plurality of linear structures and decreases the thermal conductivity of the linear structures. A thermoelectric conversion material is provided.

また、実施形態の他の観点によれば、炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成された熱電変換材料膜と、前記熱電変換材料膜を挟持する一対の電極とを有する熱電変換素子が提供される。   Further, according to another aspect of the embodiment, a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity decrease that is included in the plurality of linear structures and decreases the thermal conductivity of the linear structures. A thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion material film formed of a thermoelectric conversion material having a substance and a pair of electrodes sandwiching the thermoelectric conversion material film is provided.

また、実施形態の更に他の観点によれば、炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成されたp型の第1の熱電変換材料膜と、炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成されたn型の第2の熱電変換材料膜と、前記第1の熱電変換材料膜の一方の面側に形成された第1の電極と、前記第2の熱電変換材料膜の一方の面側に形成された第2の電極と、前記第1の熱電変換材料膜及び前記第2の熱電変換材料膜の他方の面側に形成された第3の電極とを有する熱電変換素子が提供される。   According to still another aspect of the embodiment, a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity that is included in the plurality of linear structures and lowers the thermal conductivity of the linear structures. A p-type first thermoelectric conversion material film formed of a thermoelectric conversion material having a reducing substance, a plurality of linear structures of carbon elements, and a plurality of the linear structures, and the linear structure An n-type second thermoelectric conversion material film formed of a thermoelectric conversion material having a thermal conductivity lowering substance that lowers the thermal conductivity of the body, and formed on one surface side of the first thermoelectric conversion material film The first electrode formed, the second electrode formed on one surface side of the second thermoelectric conversion material film, the other of the first thermoelectric conversion material film and the second thermoelectric conversion material film There is provided a thermoelectric conversion element having a third electrode formed on the surface side.

開示の熱電変換材料によれば、炭素元素の線状構造体が有する高い電気伝導率を維持しつつ、炭素元素の線状構造体の熱伝導率を低下することができる。これにより、性能指数ZTが大きい高効率の熱電変換材料を実現することができる。また、この熱電変換材料を用いて熱電変換素子を形成することにより、熱電変換効率の高い熱電変換素子を実現することができる。   According to the disclosed thermoelectric conversion material, it is possible to reduce the thermal conductivity of the carbon element linear structure while maintaining the high electric conductivity of the carbon element linear structure. Thereby, a highly efficient thermoelectric conversion material having a large figure of merit ZT can be realized. Moreover, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency is realizable by forming a thermoelectric conversion element using this thermoelectric conversion material.

[第1実施形態]
第1実施形態による熱電変換材料及び熱電変換素子について図1乃至図5を用いて説明する。
[First Embodiment]
A thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態による熱電変換素子の構造を示す概略断面図である。図2は、本実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略図である。図3及び図4は、本実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図である。図5は、本実施形態の変形例による熱電変換素子及びその製造方法を示す概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment. 3 and 4 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the present embodiment. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric conversion element and a manufacturing method thereof according to a modification of the present embodiment.

はじめに、本実施形態による熱電変換素子の構造について図1及び図2を用いて説明する。   First, the structure of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

熱電変換素子は、図1に示すように、p型の半導体熱電変換材料により形成された熱電変換材料膜12pと、n型の半導体熱電変換材料により形成された熱電変換材料膜12nとを有している。熱電変換材料膜12pは、電極10と、電極14との間に挟持されている。熱電変換材料12nは、熱電変換材料膜12pを挟持する電極と共通の電極10と、電極16との間に挟持されている。   As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion element has a thermoelectric conversion material film 12p formed of a p-type semiconductor thermoelectric conversion material, and a thermoelectric conversion material film 12n formed of an n-type semiconductor thermoelectric conversion material. ing. The thermoelectric conversion material film 12 p is sandwiched between the electrode 10 and the electrode 14. The thermoelectric conversion material 12n is sandwiched between an electrode 10 and a common electrode 10 that sandwich the thermoelectric conversion material film 12p.

この熱電変換素子の電極10側を高温部に配置し、電極14及び電極16側を低温部に配置すると、熱電変換材料膜12pの電極10側と電極14側の間に、電極14を正方向とする起電力が発生する。また、熱電変換材料膜12nの電極10側と電極16側の間に、電極16を負方向とする起電力が発生する(ゼーベック効果)。これにより、電極14,16から外部へ電力が供給される。また、この逆に、電極10と、電極14,16との間に電圧を印加すると、一方の電極側が加熱し、他方の電極側が冷却される(ペルチェ効果)。   When the electrode 10 side of this thermoelectric conversion element is arranged in the high temperature part and the electrodes 14 and 16 side are arranged in the low temperature part, the electrode 14 is placed in the positive direction between the electrode 10 side and the electrode 14 side of the thermoelectric conversion material film 12p. An electromotive force is generated. Further, an electromotive force with the electrode 16 in the negative direction is generated between the electrode 10 side and the electrode 16 side of the thermoelectric conversion material film 12n (Seebeck effect). Thereby, electric power is supplied from the electrodes 14 and 16 to the outside. Conversely, when a voltage is applied between the electrode 10 and the electrodes 14 and 16, one electrode side is heated and the other electrode side is cooled (Peltier effect).

本実施形態による熱電変換素子は、図1に示すような熱電変換素子において、熱電変換材料膜12p,12nを形成する熱電変換材料が、図2に示す構造を有している。すなわち、本実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料は、同一の方向に配向した複数のカーボンナノチューブ20を有している。各カーボンナノチューブ内には、フラーレン22が内包されており、いわゆるピーポッドを形成している。   In the thermoelectric conversion element according to the present embodiment, in the thermoelectric conversion element as shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion material forming the thermoelectric conversion material films 12p and 12n has the structure shown in FIG. That is, the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment has a plurality of carbon nanotubes 20 oriented in the same direction. Each carbon nanotube contains a fullerene 22 to form a so-called peapod.

カーボンナノチューブ20は、電気伝導性及び熱伝導性に極めて優れた物質である。カーボンナノチューブ20内にフラーレン22を内包した構造は、カーボンナノチューブ20の構造自体を変化したものではなく、電気伝導を大きく阻害するものではない。その一方、カーボンナノチューブ20に対して異種材料であるフラーレン22が隣接していることにより、フラーレン22の影響によってカーボンナノチューブを伝搬するフォノンが有効に散乱され、熱伝導率は大きく(数%以下にまで)低下する。これにより、高い電気伝導率と低い熱伝導率とを有し、高い性能指数ZTを有する熱電変換材料を形成することができる。   The carbon nanotube 20 is a substance that is extremely excellent in electrical conductivity and thermal conductivity. The structure in which the fullerene 22 is included in the carbon nanotube 20 does not change the structure of the carbon nanotube 20 itself, and does not significantly hinder electric conduction. On the other hand, since fullerenes 22 which are different materials are adjacent to the carbon nanotubes 20, phonons propagating through the carbon nanotubes are effectively scattered by the influence of the fullerenes 22, and the thermal conductivity is large (less than several percent). Until). Thereby, the thermoelectric conversion material which has high electrical conductivity and low thermal conductivity and has a high figure of merit ZT can be formed.

カーボンナノチューブ20は、適切な不純物を添加することにより、p型・n型の導電型を発現する。したがって、図1に示す熱電変換素子の熱電変換材料膜12p,12nを、本実施形態による熱電変換材料によって形成することにより、高効率の熱電変換素子を実現することができる。   The carbon nanotubes 20 exhibit p-type and n-type conductivity types by adding appropriate impurities. Therefore, by forming the thermoelectric conversion material films 12p and 12n of the thermoelectric conversion element shown in FIG. 1 with the thermoelectric conversion material according to the present embodiment, a highly efficient thermoelectric conversion element can be realized.

カーボンナノチューブ20は、単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよい。ただし、フラーレン22による熱伝導率低下はフラーレン22と隣接する最も内側のチューブにもたらされるため、層数を多くしすぎるとカーボンナノチューブ20全体における熱伝導率低下の効果が十分に得られなくなる。かかる観点から、カーボンナノチューブは単層、或いは2層、3層など、層数が少ない方が望ましい。   The carbon nanotube 20 may be a single-walled carbon nanotube or a multi-walled carbon nanotube. However, since the decrease in thermal conductivity due to the fullerene 22 is brought to the innermost tube adjacent to the fullerene 22, if the number of layers is increased too much, the effect of decreasing the thermal conductivity in the entire carbon nanotube 20 cannot be obtained sufficiently. From this point of view, it is desirable that the carbon nanotubes have a smaller number of layers, such as a single layer, two layers, or three layers.

カーボンナノチューブ20内に内包する物質は、カーボンナノチューブ20の電気特性を阻害しにくい物質であって、カーボンナノチューブを伝搬するフォノンを散乱して熱伝導性を低下しうる物質であれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、その一例として、フラーレン22を例示している。本明細書では、カーボンナノチューブ20の電気特性を阻害しにくい物質であって、カーボンナノチューブを伝搬するフォノンを散乱して熱伝導性を低下する物質を、「熱伝導率低下物質」と呼ぶこともある。   The substance included in the carbon nanotube 20 is not particularly limited as long as it is a substance that does not easily disturb the electrical characteristics of the carbon nanotube 20 and can reduce the thermal conductivity by scattering phonons propagating through the carbon nanotube. It is not something. In this embodiment, fullerene 22 is illustrated as an example. In the present specification, a substance that does not easily disturb the electrical characteristics of the carbon nanotube 20 and that scatters phonons propagating through the carbon nanotube and decreases thermal conductivity may be referred to as a “thermal conductivity decreasing substance”. is there.

なお、図2では各カーボンナノチューブ20内にフラーレン22を一列に形成した場合を示しているが、各カーボンナノチューブ20内に複数列のフラーレン22を形成するようにしてもよい。   Although FIG. 2 shows a case where fullerenes 22 are formed in a row in each carbon nanotube 20, a plurality of rows of fullerenes 22 may be formed in each carbon nanotube 20.

また、フラーレン22は、炭素原子数が60個である典型的なC60フラーレンのみならず、炭素原子が70個、80個、82個、84個など、炭素原子数が60を超える高次フラーレンであってもよい。また、フラーレン22は、原子内包フラーレン(「金属内包フラーレン」ともいう)であってもよい。原子内包フラーレンとは、これらフラーレンの中に、Gd(ガドリニウム)、La(ランタン)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Er(エルビウム)等の原子が、1個又は複数個含まれたものである。本明細書では、これら総てを包括して「フラーレン」と表現する。 In addition, the fullerene 22 is not only a typical C 60 fullerene having 60 carbon atoms, but also a higher-order fullerene having more than 60 carbon atoms such as 70, 80, 82, 84 carbon atoms. It may be. Further, the fullerene 22 may be an atomic inclusion fullerene (also referred to as “metal inclusion fullerene”). An atomic inclusion fullerene is an atom such as Gd (gadolinium), La (lanthanum), Sc (scandium), Y (yttrium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Er (erbium), etc. in these fullerenes. One or more. In this specification, all of these are comprehensively expressed as “fullerene”.

フラーレン22を熱伝導率低下物質として利用できるのは、フラーレン22(の列)がカーボンナノチューブ20とは異なり連続体ではなく、カーボンナノチューブ20とはフォノンの伝導形態が異なるためであると考えられる。   The reason why the fullerene 22 can be used as the thermal conductivity lowering substance is thought to be because the fullerene 22 (row) is not a continuous body unlike the carbon nanotube 20 and the conduction form of phonon is different from the carbon nanotube 20.

次に、本実施形態による熱電変換素子の製造方法について図3乃至図5を用いて説明する。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

まず、カーボンナノチューブ20を成長するための土台としての基板30を用意する。基板30としては、シリコン基板などの半導体基板、アルミナ(サファイア)基板、MgO基板、ガラス基板などを用いることができる。また、これら基板上に薄膜が形成されたものでもよい。例えば、シリコン基板上に膜厚300nm程度のシリコン酸化膜が形成されたものを用いることができる。   First, a substrate 30 is prepared as a base for growing the carbon nanotubes 20. As the substrate 30, a semiconductor substrate such as a silicon substrate, an alumina (sapphire) substrate, an MgO substrate, a glass substrate, or the like can be used. In addition, a thin film may be formed on these substrates. For example, a silicon substrate having a silicon oxide film with a thickness of about 300 nm can be used.

次いで、基板30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚5nmのAl(アルミニウム)膜と、例えば膜厚2.5nmのFe(鉄)膜とを堆積し、Fe/Alの積層構造の触媒金属膜32を形成する(図3(a))。   Next, an Al (aluminum) film having a thickness of, for example, 5 nm and an Fe (iron) film having a thickness of, for example, 2.5 nm are deposited on the substrate 30 by, for example, sputtering, and the catalyst metal having a Fe / Al laminated structure is deposited. A film 32 is formed (FIG. 3A).

触媒金属膜32は、Fe/Al膜のほか、Fe、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Pt(白金)又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金の単層膜を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器(DMA:differential mobility analyzer)等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。   In addition to the Fe / Al film, the catalytic metal film 32 is Fe, Co (cobalt), Ni (nickel), Au (gold), Ag (silver), Pt (platinum), or an alloy containing at least one of these materials. Alternatively, a single layer film may be used. In addition to the metal film, metal fine particles prepared by controlling the size in advance using a differential mobility analyzer (DMA) or the like may be used as the catalyst. In this case, the metal species may be the same as in the case of the thin film.

また、これら触媒金属の下地膜として、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)、TaN(窒化タンタル)、TiSi(チタンシリサイド)、Al(アルミニウム)、Al(酸化アルミニウム)、TiO(酸化チタン)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Cu(銅)、Au(金)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、TiN(窒化チタン)などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金の膜を形成してもよい。例えば、上述のFe/Alの積層構造のほか、Co(2.6nm)/TiN(5nm)の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Co(平均直径:3.8nm)/TiN(5nm)などの積層構造を適用することができる。 Further, as the base film of these catalyst metals, Mo (molybdenum), Ti (titanium), Hf (hafnium), Zr (zirconium), Nb (niobium), V (vanadium), TaN (tantalum nitride), TiSi x (titanium Silicide), Al (aluminum), Al 2 O 3 (aluminum oxide), TiO x (titanium oxide), Ta (tantalum), W (tungsten), Cu (copper), Au (gold), Pt (platinum), Pd A film of (palladium), TiN (titanium nitride), or an alloy film containing at least one of these materials may be formed. For example, in addition to the above-described Fe / Al laminated structure, a Co (2.6 nm) / TiN (5 nm) laminated structure or the like can be applied. When metal fine particles are used, for example, a laminated structure such as Co (average diameter: 3.8 nm) / TiN (5 nm) can be applied.

次いで、基板30上に、例えば熱CVD法により、触媒金属膜32を触媒として、カーボンナノチューブ20を成長する。カーボンナノチューブの成長条件は、例えば、原料ガスとして水素で希釈したアセチレン・アルゴンの混合ガス(アセチレン:アルゴン=1:9、混合ガスの総ガス量に対する割合:18%)を用い、成膜室内の総ガス圧を1kPa、基板温度を590℃、成長時間を90分とする。これにより、層数が2層、長さが約1mmの多層カーボンナノチューブを成長することができる。なお、カーボンナノチューブは、ホットフィラメントCVD法やリモートプラズマCVD法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。   Next, the carbon nanotubes 20 are grown on the substrate 30 by, for example, a thermal CVD method using the catalytic metal film 32 as a catalyst. The growth conditions of the carbon nanotube are, for example, using a mixed gas of acetylene / argon diluted with hydrogen as a source gas (acetylene: argon = 1: 9, ratio of the mixed gas to the total gas amount: 18%). The total gas pressure is 1 kPa, the substrate temperature is 590 ° C., and the growth time is 90 minutes. Thereby, a multi-walled carbon nanotube having two layers and a length of about 1 mm can be grown. The carbon nanotubes may be formed by other film forming methods such as a hot filament CVD method and a remote plasma CVD method. The growing carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube. Moreover, as a carbon raw material, you may use hydrocarbons, such as methane and ethylene other than acetylene, alcohols, such as ethanol and methanol.

こうして、基板30上に、基板30の法線方向に配向(垂直配向)した複数のカーボンナノチューブ20を形成する(図3(b))。   Thus, a plurality of carbon nanotubes 20 aligned in the normal direction of the substrate 30 (vertical alignment) are formed on the substrate 30 (FIG. 3B).

次いで、カーボンナノチューブ20を成長した基板30をCVD装置の反応炉内に入れたままの状態で、基板温度を例えば550℃とし、反応炉内に酸素を例えば1kPaの圧力で導入する。この状態で10分程度の酸化処理を行うことにより、カーボンナノチューブ20の先端或いは側壁の一部に開口部(図示せず)が形成される。   Next, the substrate temperature is set to, for example, 550 ° C. while the substrate 30 on which the carbon nanotubes 20 are grown is placed in the reaction furnace of the CVD apparatus, and oxygen is introduced into the reaction furnace at a pressure of, for example, 1 kPa. By performing an oxidation treatment for about 10 minutes in this state, an opening (not shown) is formed at the tip of the carbon nanotube 20 or a part of the side wall.

次いで、CVD装置の反応炉内の基板30横に、るつぼに入れたフラーレンを置き、真空封じきりで500〜600℃に加熱し、数時間程度放置する。これにより、るつぼに入れたフラーレンが昇華され、開口部からカーボンナノチューブ20の内部に入り込む。こうして、フラーレン22が内包されたカーボンナノチューブ20、いわゆるピーポッドが形成される(図3(c))。   Next, a fullerene placed in a crucible is placed beside the substrate 30 in the reaction furnace of the CVD apparatus, heated to 500 to 600 ° C. by vacuum sealing, and left for several hours. Thereby, the fullerene put in the crucible is sublimated and enters the inside of the carbon nanotube 20 from the opening. In this way, carbon nanotubes 20 in which fullerenes 22 are encapsulated, so-called peapods, are formed (FIG. 3C).

次いで、例えばイオン注入により、カーボンナノチューブ20に所定の不純物をイオン注入し、カーボンナノチューブ20にp型又はn型の導電型を付与する。p型の不純物としては、例えば、ホウ素等を適用することができる。また、n型の不純物としては、例えば、窒素、燐等を適用することができる。   Next, predetermined impurities are ion-implanted into the carbon nanotubes 20 by, for example, ion implantation, and the carbon nanotubes 20 are given p-type or n-type conductivity. For example, boron or the like can be applied as the p-type impurity. As the n-type impurity, for example, nitrogen, phosphorus, or the like can be used.

このようにして、p型のカーボンナノチューブ20により形成された熱電変換材料膜12pを有する基板30pと、n型のカーボンナノチューブ20により形成された熱電変換材料膜12nを有する基板30nとを準備する(図4(a))。   In this way, a substrate 30p having a thermoelectric conversion material film 12p formed of p-type carbon nanotubes 20 and a substrate 30n having a thermoelectric conversion material film 12n formed of n-type carbon nanotubes 20 are prepared ( FIG. 4 (a)).

次いで、熱電変換材料膜12p上に、例えば銀ペーストなどの導電性接着剤34pを塗布し、導電性接着剤34上にCu(銅)などの金属基板40を接着する。同様に、熱電変換材料膜12n上に、例えば銀ペーストなどの導電性接着剤34nを塗布し、導電性接着剤36上にCu(銅)などの金属基板42を接着する(図4(b))。   Next, a conductive adhesive 34 p such as silver paste is applied on the thermoelectric conversion material film 12 p, and a metal substrate 40 such as Cu (copper) is bonded onto the conductive adhesive 34. Similarly, a conductive adhesive 34n such as silver paste is applied on the thermoelectric conversion material film 12n, and a metal substrate 42 such as Cu (copper) is bonded on the conductive adhesive 36 (FIG. 4B). ).

次いで、熱電変換材料膜12pから基板30pを剥離する。同様に、熱電変換材料膜12nから基板30nを剥離する。   Next, the substrate 30p is peeled from the thermoelectric conversion material film 12p. Similarly, the substrate 30n is peeled from the thermoelectric conversion material film 12n.

次いで、熱電変換材料膜12pの基板30pの剥離面上に導電性接着剤36pを塗布し、熱電変換材料膜12nの基板30nの剥離面上に導電性接着剤36nを塗布した後、導電性接着剤36p,36n上に、例えばCu(銅)などの金属基板44を接着する(図4(c))。   Next, the conductive adhesive 36p is applied on the peeling surface of the substrate 30p of the thermoelectric conversion material film 12p, and the conductive adhesive 36n is applied on the peeling surface of the substrate 30n of the thermoelectric conversion material film 12n, and then conductive bonding is performed. A metal substrate 44 such as Cu (copper) is bonded onto the agents 36p and 36n (FIG. 4C).

こうして、金属基板44により電極10が、金属基板40により電極14が、金属基板42により電極16が形成され、電極10と電極14との間に熱電変換材料膜12pが挟持され、電極10と電極16との間に熱電変換材料膜12nが挟持された本実施形態による熱電変換素子を完成する。   Thus, the electrode 10 is formed by the metal substrate 44, the electrode 14 is formed by the metal substrate 40, and the electrode 16 is formed by the metal substrate 42, and the thermoelectric conversion material film 12 p is sandwiched between the electrode 10 and the electrode 14. The thermoelectric conversion element according to the present embodiment in which the thermoelectric conversion material film 12n is sandwiched between the thermoelectric conversion material film 12n and the thermoelectric conversion material film 16 is completed.

また、例えば図5に示すように、図4(c)の基本構造体を同様の手法により金属基板46の電極を介して複数直列に接続すれば、所望の起電力を有する熱電変換素子を形成することができる。図4(c)の基本構造体をマトリクス状に配列するようにしてもよい。   For example, as shown in FIG. 5, if a plurality of the basic structures shown in FIG. 4C are connected in series via the electrodes of the metal substrate 46 by the same technique, a thermoelectric conversion element having a desired electromotive force is formed. can do. The basic structures shown in FIG. 4C may be arranged in a matrix.

このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブを含む熱電変換材料を形成するので、カーボンナノチューブが有する高い電気伝導率を維持しつつ、熱伝導率を低下することができる。これにより、性能指数ZTが高い高効率の熱電変換材料を実現することができる。また、この熱電変換材料を用いて熱電変換素子を形成することにより、熱電変換効率の高い熱電変換素子を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, since the thermoelectric conversion material including the carbon nanotube including the thermal conductivity reducing substance that reduces the thermal conductivity of the carbon nanotube is formed, the high electrical conductivity of the carbon nanotube is maintained. However, the thermal conductivity can be reduced. Thereby, a highly efficient thermoelectric conversion material having a high figure of merit ZT can be realized. Moreover, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency is realizable by forming a thermoelectric conversion element using this thermoelectric conversion material.

[第2実施形態]
第2実施形態による熱電変換材料及び熱電変換素子について図6及び図7を用いて説明する。
[Second Embodiment]
A thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

図6は、本実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略断面図である。図7は、本実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図である。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment. FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による熱電変換材料の構造について図6を用いて説明する。   First, the structure of the thermoelectric conversion material according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態による熱電変換材料は、図6に示すように、カーボンナノチューブ20に内包する熱伝導率低下物質として、フラーレン22の代わりに酸化モリブデン24を用いたものである。   As shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion material according to the present embodiment uses molybdenum oxide 24 instead of fullerene 22 as a thermal conductivity decreasing substance included in the carbon nanotube 20.

前述のように、カーボンナノチューブ20内に内包する物質は、カーボンナノチューブ20の電気特性を阻害しにくい物質であって、カーボンナノチューブを伝搬するフォノンを散乱して熱伝導性を低下しうる物質であれば、フラーレン22に限定されるものではない。酸化モリブデンは、カーボンナノチューブ20内に内包させることができる絶縁材料であって、カーボンナノチューブ20の電気特性を阻害しにくい物質であることから、カーボンナノチューブ20内に内包する熱伝導率低下物質として適用することができる。   As described above, the substance included in the carbon nanotube 20 is a substance that does not obstruct the electrical characteristics of the carbon nanotube 20 and that can scatter phonons propagating through the carbon nanotube and reduce thermal conductivity. For example, the fullerene 22 is not limited. Molybdenum oxide is an insulating material that can be encapsulated in the carbon nanotubes 20 and is a substance that does not obstruct the electrical characteristics of the carbon nanotubes 20, so it is applied as a thermal conductivity lowering substance that is encapsulated in the carbon nanotubes 20. can do.

本実施形態による熱電変換材料は、第1実施形態による熱電変換材料と同様、例えば図1及び図6に示す熱電変換素子に適用することができる。   The thermoelectric conversion material by this embodiment is applicable to the thermoelectric conversion element shown, for example in FIG.1 and FIG.6 similarly to the thermoelectric conversion material by 1st Embodiment.

次に、本実施形態による熱電変換素子の製造方法について図7を用いて説明する。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

まず、例えば図3(a)乃至図3(b)に示す第1実施形態による熱電変換素子の製造方法と同様にして、基板30上に、カーボンナノチューブ20を形成する(図7(a))。   First, for example, the carbon nanotubes 20 are formed on the substrate 30 in the same manner as the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 3A to 3B (FIG. 7A). .

次いで、カーボンナノチューブ20を成長した基板30をCVD装置の反応炉内に入れたままの状態で、基板温度を例えば550℃とし、反応炉内に酸素を例えば1kPaの圧力で導入する。この状態で10分程度の酸化処理を行うことにより、カーボンナノチューブ20の先端或いは側壁の一部に開口部(図示せず)が形成される。   Next, the substrate temperature is set to, for example, 550 ° C. while the substrate 30 on which the carbon nanotubes 20 are grown is placed in the reaction furnace of the CVD apparatus, and oxygen is introduced into the reaction furnace at a pressure of, for example, 1 kPa. By performing an oxidation treatment for about 10 minutes in this state, an opening (not shown) is formed at the tip of the carbon nanotube 20 or a part of the side wall.

このとき、基板30横にるつぼに入れたモリブデンパウダーを置いておくと、カーボンナノチューブ20に開口部が形成されると同時に、昇華し酸化されたモリブデンがカーボンナノチューブ20内に入り込む。これにより、酸化モリブデン24が内包されたカーボンナノチューブ20が形成される(図7(b))。   At this time, if the molybdenum powder placed in the crucible is placed beside the substrate 30, an opening is formed in the carbon nanotube 20, and at the same time, the sublimated and oxidized molybdenum enters the carbon nanotube 20. Thereby, the carbon nanotube 20 including the molybdenum oxide 24 is formed (FIG. 7B).

この後、例えば図4(a)乃至図4(c)に示す第1実施形態による熱電変換素子の製造方法と同様にして、熱電変換素子を完成する。   Thereafter, the thermoelectric conversion element is completed in the same manner as the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 4A to 4C, for example.

このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブを含む熱電変換材料を形成するので、カーボンナノチューブが有する高い電気伝導率を維持しつつ、熱伝導率を低下することができる。これにより、性能指数ZTが高い高効率の熱電変換材料を実現することができる。また、この熱電変換材料を用いて熱電変換素子を形成することにより、熱電変換効率の高い熱電変換素子を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, since the thermoelectric conversion material including the carbon nanotube including the thermal conductivity reducing substance that reduces the thermal conductivity of the carbon nanotube is formed, the high electrical conductivity of the carbon nanotube is maintained. However, the thermal conductivity can be reduced. Thereby, a highly efficient thermoelectric conversion material having a high figure of merit ZT can be realized. Moreover, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency is realizable by forming a thermoelectric conversion element using this thermoelectric conversion material.

[第3実施形態]
第3実施形態による熱電変換材料及び熱電変換素子について図8及び図9を用いて説明する。
[Third Embodiment]
A thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion element according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

図8は、本実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略図である。図9は、本実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図である。   FIG. 8 is a schematic view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment. FIG. 9 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による熱電変換材料の構造について図8を用いて説明する。   First, the structure of the thermoelectric conversion material according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態による熱電変換材料は、図8に示すように、カーボンナノチューブ20が、熱伝導率低下物質により形成された充填層26によって埋め込まれたものである。カーボンナノチューブ20は、第1及び第2実施形態の場合と同様、熱伝導率低下物質を内包している。ここでは一例として、フラーレン22が内包されたカーボンナノチューブ20を示しているが、カーボンナノチューブ20に内包する熱伝導率低下物質はこれに限定されるものではない。   As shown in FIG. 8, the thermoelectric conversion material according to the present embodiment is obtained by embedding carbon nanotubes 20 with a filling layer 26 formed of a thermal conductivity lowering substance. The carbon nanotubes 20 contain a thermal conductivity lowering substance as in the first and second embodiments. Here, as an example, the carbon nanotubes 20 in which the fullerenes 22 are encapsulated are shown, but the thermal conductivity reducing substance encapsulated in the carbon nanotubes 20 is not limited to this.

カーボンナノチューブ20の内側に加え、カーボンナノチューブ20の周囲にも熱伝導率低下物質を配置することにより、カーボンナノチューブ20の熱伝導性をより効果的に低下することができる。   In addition to the inside of the carbon nanotube 20, the thermal conductivity of the carbon nanotube 20 can be more effectively lowered by disposing a substance having a reduced thermal conductivity around the carbon nanotube 20.

例えば、2層カーボンナノチューブ20の場合、熱伝導率低下物質を内包しただけでは、最も内側のカーボンナノチューブに対して熱伝導性を低下する効果は得られるが、外側のカーボンナノチューブに対してはその効果が得られない。カーボンナノチューブ20の周囲にも熱伝導率低下物質を配置することにより、最も外側のカーボンナノチューブの熱伝導性をも低下することができる。ただし、本実施形態の場合にも、カーボンナノチューブは単層、或いは2層、3層など、層数が少ない方が望ましい。   For example, in the case of the double-walled carbon nanotube 20, the effect of lowering the thermal conductivity with respect to the innermost carbon nanotube can be obtained just by encapsulating the substance having a reduced thermal conductivity, but the outer carbon nanotube has its effect. The effect is not obtained. The thermal conductivity of the outermost carbon nanotube can also be reduced by disposing a thermal conductivity reducing substance around the carbon nanotube 20. However, also in this embodiment, it is desirable that the number of the carbon nanotubes is small, such as a single layer, two layers, or three layers.

カーボンナノチューブ20の周囲に設ける充填層26の材料は、内包する物質と同様、カーボンナノチューブ20の電気特性を阻害しにくい物質であって、カーボンナノチューブを伝搬するフォノンを散乱して熱伝導性を低下しうる物質であれば、特に限定されるものではない。   The material of the filling layer 26 provided around the carbon nanotubes 20 is a substance that hardly disturbs the electrical characteristics of the carbon nanotubes 20 like the substance contained therein, and scatters phonons propagating through the carbon nanotubes to lower the thermal conductivity. The substance is not particularly limited as long as it can be used.

カーボンナノチューブ20の周囲に設ける熱伝導率低下物質としては、半導体材料、絶縁材料、樹脂材料等が挙げられる。   Examples of the thermal conductivity lowering substance provided around the carbon nanotube 20 include a semiconductor material, an insulating material, and a resin material.

半導体材料としては、ZnO,SrTiO,InGaZnO,AlZn1−x,SrTi1−xNbなどの酸化物半導体、Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiGe等を適用することができる。 As semiconductor materials, oxide semiconductors such as ZnO, SrTiO 3 , InGaZnO 4 , Al x Zn 1-x O y , SrTi 1-x Nb x O y , Si, GaAs, GaN, InP, Ge, SiGe, etc. are applied. can do.

絶縁材料としては、酸化モリブデン、酸化シリコン、SiOC、ポーラスシリカ、ポーラスSiOC、SOG、酸化アルミニウム、セラミックス等を適用することができる。   As the insulating material, molybdenum oxide, silicon oxide, SiOC, porous silica, porous SiOC, SOG, aluminum oxide, ceramics, or the like can be used.

樹脂材料としては、シリコーン、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート、PET樹脂、塩化ビニリデン樹脂、フッ素樹脂(PTEE)、エラストマー等を適用することができる。   As the resin material, silicone, acrylic resin, vinyl chloride resin, polypropylene, polycarbonate, PET resin, vinylidene chloride resin, fluororesin (PTEE), elastomer, or the like can be used.

次に、本実施形態による熱電変換素子の製造方法について図9を用いて説明する。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

まず、例えば図3(a)乃至図3(c)に示す第1実施形態による熱電変換素子の製造方法と同様にして、基板30上に、フラーレン22が内包されたカーボンナノチューブ20を形成する(図9(a))。なお、カーボンナノチューブ20に内包する熱伝導率低下物質は、フラーレン22でなくてもよい。   First, for example, in the same manner as the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 3A to 3C, the carbon nanotubes 20 including the fullerenes 22 are formed on the substrate 30 (see FIG. 3A). FIG. 9A). Note that the material having a reduced thermal conductivity included in the carbon nanotube 20 may not be the fullerene 22.

次いで、例えばスピンコート法により、SOG(Spin On Glass)を塗布する。これにより、カーボンナノチューブ20の間隙がSOGによって埋められる。   Next, SOG (Spin On Glass) is applied by, eg, spin coating. Thereby, the gap between the carbon nanotubes 20 is filled with the SOG.

次いで、SOGが塗布された基板30をベーク処理し、SOGを硬化する。こうして、カーボンナノチューブ20の周囲に、SOGにより形成された充填層26を形成する(図9(b))。   Next, the substrate 30 coated with SOG is baked to cure the SOG. Thus, the filling layer 26 made of SOG is formed around the carbon nanotubes 20 (FIG. 9B).

この後、例えば図4(a)乃至図4(c)に示す第1実施形態による熱電変換素子の製造方法と同様にして、熱電変換素子を完成する。   Thereafter, the thermoelectric conversion element is completed in the same manner as the manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 4A to 4C, for example.

このように、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブが、カーボンナノチューブの熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質内に形成された熱電変換材料を形成するので、カーボンナノチューブが有する高い電気伝導率を維持しつつ、熱伝導率を低下することができる。これにより、性能指数ZTが高い高効率の熱電変換材料を実現することができる。また、この熱電変換材料を用いて熱電変換素子を形成することにより、熱電変換効率の高い熱電変換素子を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, the carbon nanotube containing the thermal conductivity decreasing material that decreases the thermal conductivity of the carbon nanotube is formed in the thermal conductivity decreasing material that decreases the thermal conductivity of the carbon nanotube. Since the thermoelectric conversion material is formed, the thermal conductivity can be lowered while maintaining the high electrical conductivity of the carbon nanotube. Thereby, a highly efficient thermoelectric conversion material having a high figure of merit ZT can be realized. Moreover, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency is realizable by forming a thermoelectric conversion element using this thermoelectric conversion material.

[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.

例えば、上記第1実施形態ではカーボンナノチューブに内包する熱伝導率低下物質としてフラーレンを、第2実施形態では酸化モリブデンを例示したが、カーボンナノチューブに内包する熱伝導率低下物質は、これに限定されるものではない。   For example, in the first embodiment, fullerene is exemplified as the thermal conductivity decreasing substance included in the carbon nanotube, and molybdenum oxide is exemplified in the second embodiment. However, the thermal conductivity decreasing substance included in the carbon nanotube is limited to this. It is not something.

カーボンナノチューブ20に内包する熱伝導率低下物質としては、フラーレン及び酸化モリブデンのほか、半導体材料や他の絶縁材料を適用することができる。例えば、半導体材料としては、ZnO,SrTiO,InGaZnO,AlZn1−x,SrTi1−xNbなどの酸化物半導体、Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiGe等を適用することができる。また、絶縁材料としては、酸化シリコン、SiOC、ポーラスシリカ、ポーラスSiOC、SOG、酸化アルミニウム等を適用することができる。カーボンナノチューブに内包する熱伝導率低下物質は、カーボンナノチューブ内に導入する観点から、カーボンナノチューブが破壊されない程度の温度で昇華できる材料であることが望ましい。 As the thermal conductivity lowering substance included in the carbon nanotube 20, a semiconductor material or other insulating material can be applied in addition to fullerene and molybdenum oxide. For example, semiconductor materials include oxide semiconductors such as ZnO, SrTiO 3 , InGaZnO 4 , Al x Zn 1-x O y , SrTi 1-x Nb x O y , Si, GaAs, GaN, InP, Ge, SiGe, and the like. Can be applied. As the insulating material, silicon oxide, SiOC, porous silica, porous SiOC, SOG, aluminum oxide, or the like can be used. From the viewpoint of introduction into the carbon nanotube, it is desirable that the thermal conductivity-decreasing substance encapsulated in the carbon nanotube is a material that can be sublimated at a temperature at which the carbon nanotube is not destroyed.

また、上記実施形態では、カーボンナノチューブを用いた熱電変換材料を示したが、他の炭素元素の線状構造体を用いて熱電変換材料を形成してもよい。炭素元素の線状構造体としては、カーボンナノチューブのほか、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。これら線状構造体を用いたシート状構造体においても適用することができる。   Moreover, although the thermoelectric conversion material using a carbon nanotube was shown in the said embodiment, you may form a thermoelectric conversion material using the linear structure of another carbon element. Examples of the carbon element linear structure include carbon nanowires, carbon rods, and carbon fibers in addition to carbon nanotubes. These linear structures are the same as the carbon nanotubes except that their sizes are different. The present invention can also be applied to a sheet-like structure using these linear structures.

また、上記実施形態では、カーボンナノチューブを一方向に配向した熱電変換材料を示したが、必ずしも一方向に配向している必要はない。例えば、熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブを熱伝導率低下物質の充填層内に分散することにより熱電変換材料を形成してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the thermoelectric conversion material which orientated the carbon nanotube in one direction was shown, it does not necessarily need to orient in one direction. For example, the thermoelectric conversion material may be formed by dispersing carbon nanotubes encapsulating a thermal conductivity lowering substance in a packed layer of the thermal conductivity lowering substance.

この場合、まず、硬化する前の樹脂を容器に用意し、それに予め形成された熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブの粉末を入れる。カーボンナノチューブは、攪拌や超音波によって樹脂に均一に混ぜ合わせることができる。必要に応じて、この樹脂に界面活性剤等の添加剤を加えてもよい。その後、熱や紫外線によって樹脂を硬化することにより、熱伝導率低下物質を内包したカーボンナノチューブが分散された熱電変換材料を形成することができる。カーボンナノチューブを分散させる樹脂材料の代わりに、SOGなど、上記実施形態に記載の他の熱伝導率低下物質を用いてもよい。   In this case, first, a resin before curing is prepared in a container, and a carbon nanotube powder encapsulating a preformed heat conductivity reducing substance is put in the container. The carbon nanotubes can be uniformly mixed with the resin by stirring or ultrasonic waves. If necessary, an additive such as a surfactant may be added to the resin. Thereafter, by curing the resin with heat or ultraviolet rays, it is possible to form a thermoelectric conversion material in which the carbon nanotubes encapsulating the thermal conductivity reducing substance are dispersed. Instead of the resin material in which the carbon nanotubes are dispersed, other thermal conductivity lowering substances described in the above embodiments such as SOG may be used.

また、上記実施形態に開示の構成材料や製造条件は、当該開示内容に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。   Further, the constituent materials and manufacturing conditions disclosed in the above embodiment are not limited to the disclosed contents, and can be appropriately changed according to the purpose and the like.

開示の熱伝導変換素子は、熱が発生する環境における電力供給源として、或いは、冷却装置として、種々の目的に使用することができる。開示の熱電変換素子のアプリケーションは、特に限定されるものではないが、例えば、無線・携帯電話基地局、サーバー・パーソナルコンピュータ、自動車、人工衛星、建造物等が挙げられる。   The disclosed heat conduction conversion element can be used for various purposes as a power supply source in an environment where heat is generated or as a cooling device. The application of the disclosed thermoelectric conversion element is not particularly limited, and examples thereof include wireless / mobile phone base stations, servers / personal computers, automobiles, artificial satellites, buildings, and the like.

図1は、第1実施形態による熱電変換素子の構造を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment. 図3は、第1実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図(その1)である。FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the first embodiment. 図4は、第1実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the first embodiment. 図5は、第1実施形態の変形例による熱電変換素子及びその製造方法を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric conversion element and a manufacturing method thereof according to a modification of the first embodiment. 図6は、第2実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the second embodiment. 図7は、第2実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the second embodiment. 図8は、第3実施形態による熱電変換素子の熱電変換材料の構造を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic view showing the structure of the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion element according to the third embodiment. 図9は、第3実施形態による熱電変換素子の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 9 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the thermoelectric conversion element according to the third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10,14,16…電極
12n,12p…熱電変換材料膜
20…カーボンナノチューブ
22…フラーレン
24…酸化モリブデン
26…充填層
30…基板
32…触媒金属膜
34n,34p,36n,36p…導電性接着剤
40,42,44,46…金属基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 14, 16 ... Electrode 12n, 12p ... Thermoelectric conversion material film 20 ... Carbon nanotube 22 ... Fullerene 24 ... Molybdenum oxide 26 ... Filling layer 30 ... Substrate 32 ... Catalyst metal film 34n, 34p, 36n, 36p ... Conductive adhesive 40, 42, 44, 46 ... metal substrate

Claims (7)

炭素元素の複数の線状構造体と、
複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質と
を有することを特徴とする熱電変換材料。
A plurality of linear structures of carbon elements;
A thermoelectric conversion material comprising: a thermal conductivity reducing substance that is included in the plurality of linear structures and decreases the thermal conductivity of the linear structures.
請求項1記載の熱電変換材料において、
複数の前記線状構造体は、同じ方向に配向している
ことを特徴とする熱電変換材料。
The thermoelectric conversion material according to claim 1,
The plurality of linear structures are oriented in the same direction. A thermoelectric conversion material, wherein:
請求項1又は2記載の熱電変換材料において、
前記線状構造体は、単層構造、2層構造、又は3層構造である
ことを特徴とする熱電変換材料。
In the thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2,
The linear structure has a single-layer structure, a two-layer structure, or a three-layer structure.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱電変換材料において、
複数の前記線状構造体間に形成された熱伝導率低下物質の充填層を更に有する
ことを特徴とする熱電変換材料。
In the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3,
A thermoelectric conversion material further comprising a packed layer of a thermal conductivity lowering substance formed between the plurality of linear structures.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱電変換材料において、
前記線状構造体に内包された前記熱伝導率低下物質は、フラーレンである
ことを特徴とする熱電変換材料。
In the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 4,
The thermoelectric conversion material, wherein the thermal conductivity-decreasing substance contained in the linear structure is fullerene.
炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成された熱電変換材料膜と、
前記熱電変換材料膜を挟持する一対の電極と
を有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric element formed of a thermoelectric conversion material having a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity-decreasing substance included in the plurality of linear structures and reducing the thermal conductivity of the linear structures. A conversion material film;
A thermoelectric conversion element comprising: a pair of electrodes that sandwich the thermoelectric conversion material film.
炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成されたp型の第1の熱電変換材料膜と、
炭素元素の複数の線状構造体と、複数の前記線状構造体に内包され、前記線状構造体の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質とを有する熱電変換材料により形成されたn型の第2の熱電変換材料膜と、
前記第1の熱電変換材料膜の一方の面側に形成された第1の電極と、
前記第2の熱電変換材料膜の一方の面側に形成された第2の電極と、
前記第1の熱電変換材料膜及び前記第2の熱電変換材料膜の他方の面側に形成された第3の電極と
を有することを特徴とする熱電変換素子。
P formed of a thermoelectric conversion material having a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity reducing substance included in the plurality of linear structures and reducing the thermal conductivity of the linear structures. A first thermoelectric conversion material film of a mold;
N formed by a thermoelectric conversion material having a plurality of linear structures of carbon elements and a thermal conductivity reducing substance included in the plurality of linear structures and reducing the thermal conductivity of the linear structures. A second thermoelectric conversion material film of the mold;
A first electrode formed on one surface side of the first thermoelectric conversion material film;
A second electrode formed on one surface side of the second thermoelectric conversion material film;
A thermoelectric conversion element comprising: a third electrode formed on the other surface side of the first thermoelectric conversion material film and the second thermoelectric conversion material film.
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