熱の力を引き出す: カドミウムアルセナイド薄膜の熱電特性の驚異

Tokyo発電所や車の排気ガス、工場から余分な熱が生じます。この熱を活用しようと、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の機械工学教授であるボリン・リャオ氏と彼のチームが研究を進めています。彼らは、高品質な砒化カドミウム (Cd3As2) 薄膜の熱電特性を調査しています。

研究者たちはエネルギー効率を向上させるために廃熱の利用を模索しています。この目的に適した素材は、電気を良く伝導し、熱を伝導しにくく、温度差から高い電圧を生み出す能力を持っている必要があります。この特性を兼ね備えた素材を見つけるのは難しいですが、カドミウムアルセニドが有望とされています。

カドミウムヒ化物は、ディラック半金属と呼ばれる種類の素材です。熱伝導性は低いものの、電子は容易に移動します。そのため、電気伝導性には優れていますが、温度差による起電力はあまり発生しません。この起電力の生成はゼーベック効果と呼ばれ、熱を電気に変換する装置において重要です。

有用な電圧を生成するためには、バンドギャップが必要です。バンドギャップとは、電子が伝導できないエネルギー領域のことです。しかし、バルクのカドミウムひ素結晶にはバンドギャップが存在しません。達成すべき目標は以下の通りです：

• 高い電気伝導性。
• 低い熱伝導性。
• 温度勾配において十分な電圧を発生させること。

チームは薄膜の作成を専門とするUCSBの材料科学者であるスザンヌ・ステマーの技術により恩恵を受けました。彼女の研究室では、分子線エピタキシー (MBE) と呼ばれるプロセスを用いて高品質な材料を生産しています。この技術により、数ナノメートルから数マイクロメートルの厚さの材料が作られます。

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彼らの研究では、異なる厚さの3種類の高品質カドミウムアルセニド薄膜を作成しました。それらの厚さは950 nm、95 nm、および25 nmです。

薄い材料では明確なバンドギャップが見られます。小さなサイズでは、量子力学的効果である量子閉じ込めがこのバンドギャップを生み出します。これによりゼーベック係数が増加し、電圧出力が向上します。

研究では、材料が薄くなると、熱を電気に変換する能力が向上することが分かりました。この能力を示す指標であるゼーベック係数は、現在利用可能な最高の材料よりも7倍優れていました。これらの効果は非常に低温で観察されました。

Cd3As2薄膜は、まだ常温での使用には適していませんが、非常に低温の環境で効果的です。このような低温環境は、航空宇宙、医療、量子コンピューティングの分野でよく見られます。優れた固体冷却材料は、有害な冷媒の代替品となる可能性があります。

この発見は低温での利用に役立ち、量子閉じ込めが熱電特性を向上させる可能性を示しています。研究者たちは初めて表面状態からの寄与を分離しました。この研究は、より深い理解と実用的な応用の両方において重要です。