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JP2010192780A - Thermoelectric conversion element - Google Patents

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JP2010192780A
JP2010192780A JP2009037294A JP2009037294A JP2010192780A JP 2010192780 A JP2010192780 A JP 2010192780A JP 2009037294 A JP2009037294 A JP 2009037294A JP 2009037294 A JP2009037294 A JP 2009037294A JP 2010192780 A JP2010192780 A JP 2010192780A
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JP
Japan
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thermoelectric conversion
composite structure
conversion element
graphene
layer
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JP2009037294A
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Japanese (ja)
Inventor
Mari Obuchi
真理 大淵
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】熱電変換素子の熱電変換効率の向上を図る。
【解決手段】グラフェン53aとカーボンナノチューブ53bとが接合された構造を有し、電子移動度が高く、且つ、熱伝導率の低い複合構造体53を熱電変換材料として用い、その両端部に一対の電極54,55を電気的に接続することで、熱電変換素子50を構成する。
【選択図】図9
To improve the thermoelectric conversion efficiency of a thermoelectric conversion element.
A composite structure 53 having a structure in which graphene 53a and a carbon nanotube 53b are joined, having high electron mobility and low thermal conductivity is used as a thermoelectric conversion material, and a pair of ends is provided at both ends thereof. The thermoelectric conversion element 50 is configured by electrically connecting the electrodes 54 and 55.
[Selection] Figure 9

Description

本発明は、熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element.

電子部品や電子機器では、しばしばその発熱が問題となる。ゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を用いれば、電子部品や電子機器の発熱を抑制してそれらをより効率的に稼動させることができ、また、省エネルギー化に寄与することもできる。熱電変換素子としては、金属や半導体等を熱電変換材料に用いたもの等が知られている(例えば、特許文献1参照。)。   In electronic parts and electronic devices, the heat generation often becomes a problem. If thermoelectric conversion elements that convert thermal energy into electrical energy by the Seebeck effect are used, heat generation of electronic components and electronic devices can be suppressed and they can be operated more efficiently, which can also contribute to energy saving. it can. As the thermoelectric conversion element, one using a metal, a semiconductor or the like as a thermoelectric conversion material is known (for example, see Patent Document 1).

特開2005−129627号公報JP 2005-129627 A

熱電変換素子では、高い熱電変換効率を得るために、キャリア移動度が高く、熱伝導率が低い材料を用いることが望まれる。しかし、これまで、そのような高いキャリア移動度と低い熱伝導率という2つの性質を併せ持つ材料の実現が難しいという問題点があった。   In the thermoelectric conversion element, in order to obtain high thermoelectric conversion efficiency, it is desired to use a material having high carrier mobility and low thermal conductivity. However, until now, there has been a problem that it is difficult to realize a material having such two properties of high carrier mobility and low thermal conductivity.

本発明の一観点によれば、複数の炭素原子がシート状に配列された少なくとも1つの第1構造体と、複数の炭素原子が筒状に配列された少なくとも1つの第2構造体とを含む炭素材料と、前記炭素材料に電気的に接続された一対の電極と、を有する熱電変換素子が提供される。   According to one aspect of the present invention, it includes at least one first structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a sheet shape, and at least one second structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a cylinder shape. There is provided a thermoelectric conversion element having a carbon material and a pair of electrodes electrically connected to the carbon material.

開示の熱電変換素子によれば、熱電変換効率の向上を図ることが可能になる。   According to the disclosed thermoelectric conversion element, it is possible to improve the thermoelectric conversion efficiency.

グラフェンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a graphene. 複合構造体の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a composite structure. 複合構造体の電子の分散関係を示す図であって、(A)は5−3周期の複合構造体の場合、(B)は7−4周期の複合構造体の場合、(C)は9−5周期の複合構造体の場合、(D)は11−6周期の複合構造体の場合である。It is a figure which shows the dispersion | distribution relationship of the electron of a composite structure, Comprising: (A) is the case of a 5-3 period composite structure, (B) is the case of a 7-4 period composite structure, (C) is 9 In the case of a composite structure having a −5 period, (D) is a case of a composite structure having an 11-6 period. 複合構造体のフォノンの分散関係を示す図であって、(A)は5−3周期の複合構造体の場合、(B)は7−4周期の複合構造体の場合、(C)は9−5周期の複合構造体の場合、(D)は19−10周期の複合構造体の場合である。It is a figure which shows the dispersion | distribution relationship of the phonon of a composite structure, Comprising: (A) is the case of the composite structure of 5-3 period, (B) is the case of the composite structure of 7-4 period, (C) is 9 In the case of a composite structure with a −5 period, (D) is the case of a composite structure with a 19-10 period. グラフェンの特性説明図であって、(A)はグラフェンの電子の分散関係を示す図、(B)はグラフェンのフォノンの分散関係を示す図である。It is a graph for explaining the characteristics of graphene, in which (A) is a graph showing the electron dispersion relationship of graphene, and (B) is a graph showing the phonon dispersion relationship of graphene. 性能指数ZTと熱電変換効率ηの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the figure of merit ZT and thermoelectric conversion efficiency (eta). キャリア濃度と熱伝導率κ及び性能指数ZTとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between carrier concentration, thermal conductivity (kappa), and figure of merit ZT. 複合構造体の周期とフォノンの励起が抑えられる周波数及び温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the period of a composite structure, and the frequency and temperature which can suppress the excitation of phonon. 第1実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the thermoelectric conversion element which concerns on 1st Example. 第1実施例に係る下地層及び触媒層形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the foundation | substrate layer and catalyst layer formation process which concerns on 1st Example. 第1実施例に係る複合構造体形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the composite structure formation process which concerns on 1st Example. 第1実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode formation process according to the first embodiment. 第2実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the thermoelectric conversion element which concerns on 2nd Example. 第2実施例に係る下地層形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the foundation | substrate layer formation process which concerns on 2nd Example. 第2実施例に係る触媒層形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the catalyst layer formation process which concerns on 2nd Example. 第2実施例に係る複合構造体及びグラフェン電極形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the composite structure which concerns on 2nd Example, and a graphene electrode formation process. 第3実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the thermoelectric conversion element which concerns on 3rd Example. 第3実施例に係る触媒層及び下地層形成工程の説明図であって、(A)は断面模式図、(B)は平面模式図である。It is explanatory drawing of the catalyst layer and base layer formation process which concerns on 3rd Example, Comprising: (A) is a cross-sectional schematic diagram, (B) is a plane schematic diagram. 第3実施例に係る複合構造体形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the composite structure formation process which concerns on 3rd Example. 第3実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode formation process which concerns on 3rd Example. 第4実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the thermoelectric conversion element which concerns on 4th Example. 第4実施例に係る第2下地層及び触媒層形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the 2nd foundation | substrate layer and catalyst layer formation process which concerns on 4th Example. 第4実施例に係る第2複合構造体形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the 2nd composite structure formation process which concerns on 4th Example. 第4実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode formation process which concerns on 4th Example. 熱電変換素子の適用例を示す図である。It is a figure which shows the example of application of a thermoelectric conversion element.

まず、炭素材料について説明する。
炭素材料としては、複数の炭素原子がシート状に配列されて結合しているシート状構造体、筒状に配列されて結合している筒状構造体、球状に配列されて結合している球状構造体等がある。シート状構造体としては、例えば、炭素6員環が網目状に結合したグラフェンや、複数のグラフェンが積層されたグラファイト等を挙げることができる。筒状構造体としては、例えば、グラフェンを筒状にしたカーボンナノチューブ等を挙げることができる。球状構造体としては、例えば、炭素の6員環及び5員環を含むフラーレン等を挙げることができる。
First, the carbon material will be described.
Examples of the carbon material include a sheet-like structure in which a plurality of carbon atoms are arranged and bonded in a sheet shape, a cylindrical structure in which the carbon atoms are arranged and bonded, and a spherical shape in which the carbon atoms are arranged and bonded in a spherical shape. There are structures. Examples of the sheet-like structure include graphene in which carbon 6-membered rings are bonded in a network, graphite in which a plurality of graphenes are stacked, and the like. Examples of the cylindrical structure include carbon nanotubes in which graphene is cylindrical. Examples of the spherical structure include fullerenes containing a carbon 6-membered ring and a 5-membered ring.

なお、筒状構造体には、単層又は多層のカーボンナノチューブのほか、カーボンナノチューブにフラーレン等の異なる炭素構造体が内包された構造(ピーポッド構造)等も含むものとする。また、シート状構造体には、一部に6員環以外の炭素環が含まれていても、全体としてシート状であれば、それも含むものとする。   The cylindrical structure includes not only single-walled or multi-walled carbon nanotubes but also a structure in which carbon nanotubes include different carbon structures such as fullerene (peapod structure). Moreover, even if a carbocyclic ring other than a 6-membered ring is partly included in the sheet-like structure, it should be included as long as it is in the form of a sheet as a whole.

ここでは、炭素材料として、シート状構造体と筒状構造体とを複合した複合構造体について説明する。シート状構造体としてグラフェンを例にし、筒状構造体としてカーボンナノチューブを例にする。   Here, as the carbon material, a composite structure in which a sheet-like structure and a cylindrical structure are combined will be described. Graphene is taken as an example of the sheet-like structure, and carbon nanotubes are taken as an example of the cylindrical structure.

図1はグラフェンの例を示す図である。また、図2は複合構造体の例を示す図である。
図1に示すように、グラフェン10は、複数の炭素原子11がシート状に配列されて結合した構造を有している。なお、図1には、丸で囲んだような結合環境が同じになる炭素原子11が、x方向に7個、y方向に4個存在するようにシート状に配列されたグラフェン10を例示している。ここでは、複数の炭素原子11がこのように配列された構造を7−4周期という。このような7−4周期のグラフェン10は、その平面形状が正方形状となる。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of graphene. FIG. 2 is a diagram showing an example of a composite structure.
As shown in FIG. 1, the graphene 10 has a structure in which a plurality of carbon atoms 11 are arranged and bonded in a sheet shape. FIG. 1 exemplifies graphene 10 in which seven carbon atoms 11 having the same bonding environment surrounded by a circle are arranged in a sheet shape so that seven carbon atoms 11 exist in the x direction and four in the y direction. ing. Here, a structure in which a plurality of carbon atoms 11 are arranged in this way is referred to as a 7-4 period. Such a 7-4 period graphene 10 has a square planar shape.

そして、この図1に示したような構造を有する1層のグラフェンをナノメートルサイズの直径で筒状にしたものが単層のカーボンナノチューブとなる。そして、図2(A)〜(C)に示すように、複合構造体30a,30b,30cはそれぞれ、グラフェン10a,10b,10cがカーボンナノチューブ20a,20b,20cの端部に接合された構造を有している。   A single-layer carbon nanotube is obtained by forming a single-layer graphene having a structure as shown in FIG. 1 into a cylindrical shape with a diameter of nanometer size. 2A to 2C, the composite structures 30a, 30b, and 30c each have a structure in which the graphenes 10a, 10b, and 10c are joined to the ends of the carbon nanotubes 20a, 20b, and 20c, respectively. Have.

図2(A)に示した複合構造体30aは、結合環境が同じになる炭素原子がx方向に5個、y方向に3個存在するように配列された平面サイズのグラフェン10aに、所定の直径のカーボンナノチューブ20aが接合されている(5−3周期)。図2(B)に示した複合構造体30bは、結合環境が同じになる炭素原子がx方向に7個、y方向に4個存在するように配列された平面サイズのグラフェン10bに、所定の直径のカーボンナノチューブ20bが接合されている(7−4周期)。図2(C)に示した複合構造体30cは、結合環境が同じになる炭素原子がx方向に9個、y方向に5個存在するように配列された平面サイズのグラフェン10cに、所定の直径のカーボンナノチューブ20cが接合されている(9−5周期)。   The composite structure 30a shown in FIG. 2A has a predetermined size on a graphene 10a having a planar size in which five carbon atoms having the same bonding environment are arranged in the x direction and three in the y direction. Carbon nanotubes 20a having a diameter are joined (5-3 period). The composite structure 30b shown in FIG. 2B has a predetermined size on a graphene 10b having a plane size in which seven carbon atoms having the same bonding environment are arranged in the x direction and four in the y direction. The carbon nanotubes 20b having a diameter are joined (7-4 cycle). The composite structure 30c shown in FIG. 2C has a predetermined size on a graphene 10c having a plane size in which nine carbon atoms having the same bonding environment are arranged in the x direction and five in the y direction. Carbon nanotubes 20c having a diameter are joined (9-5 cycles).

図2(A)〜(C)に示した複合構造体30a,30b,30cにおいて、グラフェン10a,10b,10c及びカーボンナノチューブ20a,20b,20cの各炭素原子の配置は、第1原理計算を用いて最適化している。ここで、グラフェン10a,10b,10cとカーボンナノチューブ20a,20b,20cとの各接合部は、炭素−炭素共有結合としている。また、グラフェン10a,10b,10cがそれぞれ上記のような周期(平面サイズ)で、カーボンナノチューブ20a,20b,20cの直径がいずれも同じ(1nm程度)であるとしている。   In the composite structures 30a, 30b, and 30c shown in FIGS. 2A to 2C, the arrangement of the carbon atoms of the graphenes 10a, 10b, and 10c and the carbon nanotubes 20a, 20b, and 20c uses the first principle calculation. Have been optimized. Here, each junction part of graphene 10a, 10b, 10c and carbon nanotube 20a, 20b, 20c is made into the carbon-carbon covalent bond. In addition, it is assumed that the graphenes 10a, 10b, and 10c have the above-described period (planar size), and the carbon nanotubes 20a, 20b, and 20c have the same diameter (about 1 nm).

図1に示したようなグラフェン10単体、及びカーボンナノチューブ単体は、それぞれ特有の性質を有している。例えば、グラフェン10単体は、高い電子移動度を示し、一方、カーボンナノチューブ単体は、高い機械的強度のほか、高い電流密度耐性や熱伝導性を示す。複合構造体30a,30b,30cはそれぞれ、このように単体では異なる特性を有するグラフェン10a,10b,10cとカーボンナノチューブ20a,20b,20cが接合された構造を有している。   The graphene 10 simple substance and the carbon nanotube simple substance as shown in FIG. 1 each have unique properties. For example, graphene 10 alone exhibits high electron mobility, while carbon nanotube alone exhibits high mechanical strength as well as high current density resistance and thermal conductivity. Each of the composite structures 30a, 30b, and 30c has a structure in which the graphenes 10a, 10b, and 10c having different characteristics are bonded to the carbon nanotubes 20a, 20b, and 20c.

ここで、このような複合構造体の特性について説明する。
図3は複合構造体の電子の分散関係を示す図であって、(A)は5−3周期の複合構造体の場合、(B)は7−4周期の複合構造体の場合、(C)は9−5周期の複合構造体の場合、(D)は11−6周期の複合構造体の場合である。図4は複合構造体のフォノンの分散関係を示す図であって、(A)は5−3周期の複合構造体の場合、(B)は7−4周期の複合構造体の場合、(C)は9−5周期の複合構造体の場合、(D)は19−10周期の複合構造体の場合である。また、比較のため、グラフェンの特性を図5に示す。図5はグラフェンの特性説明図であって、(A)はグラフェンの電子の分散関係を示す図、(B)はグラフェンのフォノンの分散関係を示す図である。
Here, the characteristics of such a composite structure will be described.
3A and 3B are diagrams showing the electron dispersion relationship of the composite structure, in which FIG. 3A is a composite structure with a 5-3 period, and FIG. 3B is a composite structure with a 7-4 period. ) Is for a composite structure with 9-5 periods, and (D) is for a complex structure with 11-6 periods. 4A and 4B are diagrams showing the phonon dispersion relationship of the composite structure, in which FIG. 4A is a composite structure having a 5-3 period, FIG. 4B is a composite structure having a 7-4 period, and (C ) Is for a composite structure with 9-5 periods, and (D) is for a composite structure with 19-10 periods. For comparison, the graphene characteristics are shown in FIG. 5A and 5B are graphs for explaining graphene characteristics, in which FIG. 5A is a graph showing the electron dispersion relationship of graphene, and FIG. 5B is a graph showing the phonon dispersion relationship of graphene.

なお、図3及び図4には、上記のようにカーボンナノチューブの両端部にグラフェンがそれぞれ接合された複合構造体についての電子及びフォノンの分散関係を例示している。各周期の複合構造体におけるカーボンナノチューブの直径は同程度である。また、フォノンの分散関係は、最適化されたミクロな原子構造に基づき、最近接原子間のばねモデルを用いて計算している。   3 and 4 illustrate the electron and phonon dispersion relationship for the composite structure in which graphene is bonded to both ends of the carbon nanotube as described above. The diameters of the carbon nanotubes in the composite structure of each period are about the same. The phonon dispersion relation is calculated using a spring model between nearest atoms based on the optimized micro atomic structure.

まず、複合構造体及びグラフェンの電子の分散関係について、図3(A)〜(D)及び図5(A)を参照して述べる。
単体のグラフェンの場合、図5(A)に示すように、フェルミ準位EF(0eV)を横切るバンドが存在している。グラフェンでは、このようにフェルミ準位EFを横切るバンドの傾きが大きく、高速の電子移動が可能になっている。グラフェンの電子移動度は、シリコン(Si)よりも10倍程度高くなる。
First, the electron dispersion relationship between the composite structure and the graphene is described with reference to FIGS.
In the case of a single graphene, as shown in FIG. 5A, there is a band crossing the Fermi level E F (0 eV). In graphene, thus Fermi level E slope of the band is large across the F, are enabled fast electron transfer. The electron mobility of graphene is about 10 times higher than that of silicon (Si).

一方、5−3周期の複合構造体の場合は、図3(A)に示すように、フェルミ準位EF(0eV)を横切るバンドは存在するものの、そのバンドの傾きは比較的小さく、電子の移動度は比較的低くなる。 On the other hand, in the case of a composite structure having a 5-3 period, a band crossing the Fermi level E F (0 eV) exists as shown in FIG. The mobility of is relatively low.

7−4周期の複合構造体の場合は、図3(B)に示すように、フェルミ準位EF(0eV)を横切るバンドが存在し、そのバンドの傾きも比較的大きく、電子の移動度が比較的高いと言える。 In the case of a composite structure having a period of 7-4, as shown in FIG. 3B, there is a band that crosses the Fermi level E F (0 eV), the inclination of the band is relatively large, and the mobility of electrons Is relatively high.

9−5周期の複合構造体の場合は、図3(C)に示すように、フェルミ準位EF(0eV)を横切るバンドが存在せず、バンドギャップが存在している。即ち、この9−5周期の複合構造体自体は、半導体である。但し、大きな傾きのバンドが見られ、例えば、この9−5周期の複合構造体に所定の不純物をドーピングし、フェルミ準位を横切るようなバンドを生じさせれば、電子の移動度が高い材料とすることが可能である。 In the case of a 9-5 period composite structure, as shown in FIG. 3C, there is no band crossing the Fermi level E F (0 eV), and there is a band gap. That is, the 9-5 period composite structure itself is a semiconductor. However, a band with a large inclination is seen. For example, if a 9-5 period composite structure is doped with a predetermined impurity to generate a band that crosses the Fermi level, a material having high electron mobility. Is possible.

11−6周期の複合構造体の場合は、図3(D)に示すように、フェルミ準位EF(0eV)を横切るバンドが存在し、そのバンドの傾きも、図5(A)に示したグラフェンの場合と同程度となり、電子の移動度は非常に高いと言える。 In the case of an 11-6 period composite structure, as shown in FIG. 3D, there is a band crossing the Fermi level E F (0 eV), and the inclination of the band is also shown in FIG. It can be said that the mobility of electrons is very high as in the case of graphene.

このように、グラフェンとカーボンナノチューブを接合した複合構造体は、その周期によって、金属になったり半導体になったりする。そして、このような複合構造体は、一定の周期以上では、電子の移動度がグラフェンと同程度に高くなる、或いはドーピング等によって高くすることができる。   Thus, a composite structure in which graphene and carbon nanotubes are joined becomes a metal or a semiconductor depending on the period. In such a composite structure, the mobility of electrons becomes as high as that of graphene at a certain period or more, or can be increased by doping or the like.

続いて、複合構造体及びグラフェンのフォノンの分散関係について、図4(A)〜(D)及び図5(B)を参照して述べる。
単体のグラフェンの場合、図5(B)に示すように、周波数が0THzから立ち上がる特性が見られる。このようにグラフェンは、低周波数、即ち低エネルギー状態から、フォノンの励起(格子振動)が起こり易く、従って、高い熱伝導性を示す。グラフェンの熱伝導率は、一般に熱伝導率が高いとされている銅(Cu)よりも10倍程度高くなる。
Next, the phonon dispersion relationship between the composite structure and the graphene will be described with reference to FIGS. 4A to 4D and FIG.
In the case of a single graphene, as shown in FIG. 5 (B), the frequency rises from 0 THz. Thus, graphene is likely to cause phonon excitation (lattice vibration) from a low frequency, that is, a low energy state, and thus exhibits high thermal conductivity. The thermal conductivity of graphene is about 10 times higher than copper (Cu), which is generally considered to have high thermal conductivity.

一方、5−3周期の複合構造体の場合は、図4(A)に示すように、グラフェンで見られていた、周波数が0THzから立ち上がるような特性は見られない。即ち、一定確率でフォノンが励起される周波数(エネルギー)まで、一定のギャップG(ここでは40THz程度)が存在する。さらに、フォノンのバンドは、横に寝ており、これは伝熱速度が遅いことを示している。   On the other hand, in the case of a composite structure having a 5-3 period, as shown in FIG. 4A, the characteristic that the frequency rises from 0 THz, which is seen in graphene, is not seen. That is, there is a certain gap G (about 40 THz here) up to a frequency (energy) at which the phonon is excited with a certain probability. In addition, the phonon band lies on its side, indicating that the heat transfer rate is slow.

この図4(A)に示したのと同様の特性は、図4(B)〜(D)に示すように、7−4周期、9−5周期及び19−10周期といった別の周期の複合構造体でも見られており、周期が大きくなるほどギャップGは小さくなる傾向がある。   The characteristic similar to that shown in FIG. 4A is a composite of other periods such as 7-4 period, 9-5 period, and 19-10 period as shown in FIGS. 4B to 4D. As seen in the structure, the gap G tends to decrease as the period increases.

このように、グラフェンとカーボンナノチューブを接合した複合構造体は、グラフェン単体とは異なり、フォノンの励起に一定以上のエネルギーを要し、さらに、伝熱速度も遅くなる。上記の電子の分散関係も考慮すると、このような複合構造体は、その周期、ドーピングの有無、置かれる温度環境等により、高い電子移動度と低い熱伝導率とを両立する材料となり得る。即ち、このような複合構造体は、熱電変換材料として好適である。一方、グラフェン単体は、電子移動度が高く、しかも熱伝導率も高い。そのため、グラフェン単体は、熱電変換材料として好適とは言えない。   Thus, unlike a graphene simple substance, a composite structure in which graphene and carbon nanotubes are joined requires a certain amount of energy for excitation of phonons, and the heat transfer rate is also slow. Considering the above-described electron dispersion relationship, such a composite structure can be a material having both high electron mobility and low thermal conductivity depending on the period, the presence or absence of doping, the temperature environment where the composite structure is placed, and the like. That is, such a composite structure is suitable as a thermoelectric conversion material. On the other hand, graphene alone has high electron mobility and high thermal conductivity. For this reason, graphene alone is not suitable as a thermoelectric conversion material.

一般に、熱電変換効率ηは、高温側温度Th(K)、低温側温度Tc(K)を用い、次式(1)で表される。
η={(Th−Tc)/Th}×{(M−1)/(M+Tc/Th)}・・・(1)
この式(1)において、(Th−Tc)/Thは、カルノー効率ηcを表し、(M−1)/(M+Tc/Th)は、材料効率を表す。Mは、次式(2)で表される。
In general, the thermoelectric conversion efficiency η is expressed by the following equation (1) using a high temperature side temperature T h (K) and a low temperature side temperature T c (K).
η = {(T h −T c ) / T h } × {(M−1) / (M + T c / T h )} (1)
In this formula (1), (T h −T c ) / T h represents the Carnot efficiency η c , and (M−1) / (M + T c / T h ) represents the material efficiency. M is represented by the following formula (2).

M=(1+ZT)1/2・・・(2)
この式(2)において、ZTは、性能指数と呼ばれ、無次元数であり、次式(3)で表される。
M = (1 + ZT) 1/2 (2)
In this formula (2), ZT is called a figure of merit, is a dimensionless number, and is expressed by the following formula (3).

ZT=α2T/ρκ・・・(3)
この式(3)において、αはゼーベック定数(μVK-1)、TはThとTcの平均温度(=(Th+Tc)/2)、ρは電気抵抗率(Ωm)、κは熱伝導率(Wm-1-1)である。さらに、熱伝導率κは、次式(4)に示すように、キャリア(主に電子)による熱輸送を示すキャリア熱伝導率κe(=LT/ρ(L:ローレンツ因子))と、フォノン(格子振動)による熱輸送を示す格子熱伝導率κlの和で表される。
ZT = α 2 T / ρκ ··· (3)
In this formula (3), α is the Seebeck constant (μVK −1 ), T is the average temperature of T h and T c (= (T h + T c ) / 2), ρ is the electrical resistivity (Ωm), and κ is Thermal conductivity (Wm −1 K −1 ). Furthermore, as shown in the following equation (4), the thermal conductivity κ is a carrier thermal conductivity κ e (= LT / ρ (L: Lorentz factor)) indicating heat transport by carriers (mainly electrons) and phonon. It is represented by the sum of lattice thermal conductivity κ l indicating heat transport by (lattice vibration).

κ=κe+κl・・・(4)
図6は性能指数ZTと熱電変換効率ηの関係を示す図である。
この図6には、Tc/Th=0.5、即ちカルノー効率ηc=0.5とした場合の性能指数ZTと熱電変換効率ηの関係を示している。図6に示したように、熱電変換効率ηは、性能指数ZTの増加に伴って増加し、カルノー効率ηcに近づいていく。現在実用されている熱電変換材料では、性能指数ZTが1程度で、熱電変換効率ηが0.1(10%)程度である。図6からも明らかなように、性能指数ZTを向上させることができれば、熱電変換効率ηを向上させることができる。
κ = κ e + κ l (4)
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the figure of merit ZT and the thermoelectric conversion efficiency η.
FIG. 6 shows the relationship between the figure of merit ZT and the thermoelectric conversion efficiency η when T c / T h = 0.5, that is, the Carnot efficiency η c = 0.5. As shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion efficiency η increases as the figure of merit ZT increases and approaches the Carnot efficiency η c . The thermoelectric conversion material currently in practical use has a figure of merit ZT of about 1 and a thermoelectric conversion efficiency η of about 0.1 (10%). As apparent from FIG. 6, if the figure of merit ZT can be improved, the thermoelectric conversion efficiency η can be improved.

そこで、上記のようなグラフェンとカーボンナノチューブを接合した複合構造体について考察する。このような複合構造体では、上記のように、フォノンの励起には少なくとも一定以上のエネルギーを要する(図4(A)〜(D))。換言すれば、たとえ熱が付与されても、一定の温度までは、フォノンの励起は抑えられ、従って、フォノンによる熱輸送が抑えられるようになる。   Therefore, a composite structure in which graphene and carbon nanotubes as described above are joined will be considered. In such a composite structure, as described above, at least a certain level of energy is required for phonon excitation (FIGS. 4A to 4D). In other words, even if heat is applied, phonon excitation is suppressed up to a certain temperature, and therefore heat transport by phonons is suppressed.

図7はキャリア濃度と熱伝導率κ及び性能指数ZTとの関係を示す図である。
上記のように、材料全体の熱伝導率κは、キャリア熱伝導率κeと格子熱伝導率κlの和で表すことができる(式(4))。キャリア熱伝導率κeは、図7に示すように、キャリア濃度の増加に伴い、増加していく。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the carrier concentration, the thermal conductivity κ, and the figure of merit ZT.
As described above, the thermal conductivity κ of the entire material can be expressed by the sum of the carrier thermal conductivity κ e and the lattice thermal conductivity κ l (formula (4)). As shown in FIG. 7, the carrier thermal conductivity κ e increases as the carrier concentration increases.

今、格子熱伝導率κlが0.8Wm-1-1であるとすると、性能指数ZTは、キャリア濃度に対し、図7の曲線Aに示したような推移を見せる。ここで、例えば、上記のような複合構造体を用いることで、格子熱伝導率κlを0.8Wm-1-1から0.2Wm-1-1に低減できたとする(他のパラメータは変わらないものとする)。その場合、性能指数ZTは、キャリア濃度に対し、図7の曲線Bに示したような推移を見せるようになる。 Assuming that the lattice thermal conductivity κ l is 0.8 Wm −1 K −1 , the figure of merit ZT shows a transition as shown by the curve A in FIG. 7 with respect to the carrier concentration. Here, for example, by using a composite structure as described above, and were able to reduce the lattice thermal conductivity kappa l from 0.8Wm -1 K -1 to 0.2Wm -1 K -1 (other parameters Shall not change). In that case, the figure of merit ZT shows a transition as shown by the curve B in FIG. 7 with respect to the carrier concentration.

曲線Bの性能指数ZTは、一定のキャリア濃度範囲では、曲線Aの性能指数ZTを上回る値を示す。例えば、キャリア濃度X(曲線Aの性能指数ZTが最大)では、格子熱伝導率κlが0.8Wm-1-1から0.2Wm-1-1に低下することで、性能指数ZTが2倍程度まで増加できるようになる。また、例えば、キャリア濃度Y(曲線Bの性能指数ZTが最大)でも、格子熱伝導率κlが0.8Wm-1-1から0.2Wm-1-1に低下することで、性能指数ZTが2倍程度まで増加できるようになる。このように性能指数ZTを2倍程度向上できることは、図6に示した関係によれば、熱電変換効率ηを2倍程度向上できることを示している。 The figure of merit ZT of the curve B shows a value higher than the figure of merit ZT of the curve A in a certain carrier concentration range. For example, at the carrier concentration X (the figure of merit ZT of the curve A is the maximum), the figure of merit ZT decreases as the lattice thermal conductivity κ l decreases from 0.8 Wm −1 K −1 to 0.2 Wm −1 K −1. Can be increased up to about 2 times. Further, for example, even when the carrier concentration Y (the figure of merit ZT of the curve B is the maximum), the lattice thermal conductivity κ l decreases from 0.8 Wm −1 K −1 to 0.2 Wm −1 K −1 , The index ZT can be increased up to about twice. The fact that the figure of merit ZT can be improved by about 2 times indicates that the thermoelectric conversion efficiency η can be improved by about 2 times according to the relationship shown in FIG.

このようなことから、フォノンによる熱輸送を抑えることのできる上記のような複合構造体を熱電変換材料として用いることにより、熱電変換効率ηの高い熱電変換素子を実現することが可能になる。   For this reason, it is possible to realize a thermoelectric conversion element having a high thermoelectric conversion efficiency η by using the above-described composite structure that can suppress heat transport by phonons as the thermoelectric conversion material.

上記の図4(A)〜(D)に示したように、フォノンの励起が抑えられる周波数のギャップGは、複合構造体の周期によって異なる。複合構造体の周期と、フォノンの励起を抑えることのできる周波数との関係は、次の図8に示すようになる。   As shown in FIGS. 4A to 4D, the frequency gap G at which the excitation of phonons is suppressed differs depending on the period of the composite structure. The relationship between the period of the composite structure and the frequency at which phonon excitation can be suppressed is as shown in FIG.

図8は複合構造体の周期とフォノンの励起が抑えられる周波数及び温度との関係を示す図である。
図8において、縦軸は周波数及び温度、横軸は複合構造体の周期である。ここで、横軸に示した複合構造体の周期は、上記のように5−3周期、7−4周期、9−5周期といった結合環境が同じになる炭素原子の個数で表記した周期を、グラフェンの平面方向の長さ(一辺の長さ)に換算して表記したものである。また、一方の縦軸に示した周波数は、フォノンの励起が抑えられる周波数であって、上記の図4(A)〜(D)を例にとると、ギャップGの周波数である。この周波数を温度に換算したものを他方の縦軸に示している。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the period of the composite structure and the frequency and temperature at which phonon excitation is suppressed.
In FIG. 8, the vertical axis represents frequency and temperature, and the horizontal axis represents the period of the composite structure. Here, the period of the composite structure shown on the horizontal axis is the period expressed by the number of carbon atoms having the same bonding environment such as the 5-3 period, the 7-4 period, and the 9-5 period as described above. This is expressed in terms of the length in the plane direction of graphene (length of one side). Further, the frequency shown on one vertical axis is a frequency at which phonon excitation is suppressed, and is the frequency of the gap G in the case of FIGS. 4A to 4D as an example. This frequency converted into temperature is shown on the other vertical axis.

様々な周期の複合構造体のフォノン分散関係から、フォノンの励起が抑えられるギャップ相当の周波数とそれを換算した温度を求めると、図8に示すように、フォノンの励起が抑えられる温度は、複合構造体の周期が大きくなるのに伴って減少する傾向がある。この図8に示したような知見を基に、各周期の複合構造体で、フォノンの励起が抑えられる温度の範囲、即ち、格子熱伝導率κlを低く抑えて性能指数ZTを向上させることのできる温度の範囲を見積もることが可能になる。 From the phonon dispersion relationship of the composite structure of various periods, when the frequency corresponding to the gap that suppresses the excitation of phonons and the converted temperature are obtained, as shown in FIG. There is a tendency to decrease as the period of the structure increases. Based on the knowledge shown in FIG. 8, the figure of merit ZT is improved by suppressing the temperature range in which phonon excitation can be suppressed, that is, the lattice thermal conductivity κ l , in the composite structure of each period. It is possible to estimate the temperature range that can be used.

但し、実際には、フォノンは、複合構造体に与えられた温度の2倍程度まで10%程度励起されるため、その点を考慮して温度を設定することが好ましい。仮に、複合構造体の周期が5nm程度である場合、フォノンの励起を十分に抑えるためには、図8に示される温度(約500℃)よりも低い温度、例えば、100℃程度に設定することが好ましい。また、同様に、複合構造体の周期が3nm程度である場合には、フォノンの励起を十分に抑えるため、図8に示される温度(約1100℃)よりも低い温度、例えば、300℃程度に設定することが好ましい。   However, in practice, phonons are excited about 10% up to about twice the temperature given to the composite structure, and therefore it is preferable to set the temperature in consideration of this point. If the period of the composite structure is about 5 nm, in order to sufficiently suppress the excitation of phonons, the temperature should be set lower than the temperature shown in FIG. 8 (about 500 ° C.), for example, about 100 ° C. Is preferred. Similarly, when the period of the composite structure is about 3 nm, in order to sufficiently suppress the excitation of phonons, the temperature is lower than the temperature shown in FIG. 8 (about 1100 ° C.), for example, about 300 ° C. It is preferable to set.

以上説明したように、上記のようなグラフェンとカーボンナノチューブを接合した複合構造体を用いることにより、高性能の熱電変換素子を形成することができる。また、このような複合構造体は、炭素のみ、或いは炭素を主成分として形成することができるため、熱電変換素子の材料コストを低減することができる。さらに、後述のように、このような複合構造体は、比較的低温のプロセスで形成することができるため、熱電変換素子の製造コストを低減することもできる。   As described above, a high-performance thermoelectric conversion element can be formed by using a composite structure in which graphene and carbon nanotubes are bonded as described above. In addition, since such a composite structure can be formed using only carbon or carbon as a main component, the material cost of the thermoelectric conversion element can be reduced. Furthermore, as will be described later, such a composite structure can be formed by a process at a relatively low temperature, so that the manufacturing cost of the thermoelectric conversion element can be reduced.

以下、グラフェンとカーボンナノチューブを含む複合構造体を熱電変換素子に適用した例について、具体的に説明する。
[第1実施例]
図9は第1実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。
Hereinafter, an example in which a composite structure including graphene and carbon nanotubes is applied to a thermoelectric conversion element will be specifically described.
[First embodiment]
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the thermoelectric conversion element according to the first embodiment.

図9に示す熱電変換素子50では、基板51上に、下地層52を介して、グラフェン53aとカーボンナノチューブ53bを備える複合構造体53が形成され、その複合構造体53の両端部をそれぞれ覆うように電極54,55が形成されている。   In the thermoelectric conversion element 50 shown in FIG. 9, a composite structure 53 including graphene 53 a and carbon nanotubes 53 b is formed on a substrate 51 via an underlayer 52 so as to cover both ends of the composite structure 53. Electrodes 54 and 55 are formed on the substrate.

基板51には、例えば、Si等の半導体基板、酸化シリコン(SiO)等の絶縁基板、半導体基板上にSiO等の絶縁層を形成した基板、絶縁基板上にSi等の半導体層を形成した基板等、種々の基板を用いることができる。   Examples of the substrate 51 include a semiconductor substrate such as Si, an insulating substrate such as silicon oxide (SiO), a substrate in which an insulating layer such as SiO is formed on the semiconductor substrate, and a substrate in which a semiconductor layer such as Si is formed on the insulating substrate. For example, various substrates can be used.

下地層52には、チタン(Ti)層、窒化チタン(TiN)層、Ti層とTiN層との積層体等を用いることができる。これらの層は、蒸着法、スパッタ法等を用いて形成することができる。   As the base layer 52, a titanium (Ti) layer, a titanium nitride (TiN) layer, a laminate of a Ti layer and a TiN layer, or the like can be used. These layers can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.

複合構造体53は、下地層52上に触媒層(図9では図示を省略)を形成し、それを用いて熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法等によって形成することができる。この場合、触媒層には、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)等の遷移金属、又はそのような遷移金属を含む二元系金属や合金等を用いることができる。複合構造体53は、所定条件の熱CVD法により、例えば、この図9に示したように、下地層52上に林立する複数本の単層又は多層のカーボンナノチューブ53bの先端部に、複数層のグラフェン53aが接合された構造とすることができる。なお、各カーボンナノチューブ53bは、複数層のグラフェン53aのいずれか1層に限らず、2層以上と接合していてもよい。   The composite structure 53 can be formed by forming a catalyst layer (not shown in FIG. 9) on the base layer 52 and using it by a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. In this case, a transition metal such as iron (Fe), nickel (Ni), or cobalt (Co), or a binary metal or alloy containing such a transition metal can be used for the catalyst layer. For example, as shown in FIG. 9, the composite structure 53 is formed at a front end portion of a plurality of single-walled or multi-walled carbon nanotubes 53 b standing on the base layer 52 by a thermal CVD method under predetermined conditions. The graphene 53a can be joined. Each carbon nanotube 53b is not limited to any one of the multiple layers of graphene 53a, and may be bonded to two or more layers.

電極54,55には、Ti層と金(Au)層の積層体等を用いることができる。このような層は、蒸着法、スパッタ法等を用いて形成することができる。
続いて、このような構成を有する熱電変換素子50の形成方法の一例について説明する。
For the electrodes 54 and 55, a laminate of a Ti layer and a gold (Au) layer can be used. Such a layer can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.
Then, an example of the formation method of the thermoelectric conversion element 50 which has such a structure is demonstrated.

図10は第1実施例に係る下地層及び触媒層形成工程の断面模式図、図11は第1実施例に係る複合構造体形成工程の断面模式図、図12は第1実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。   10 is a schematic cross-sectional view of the underlayer and catalyst layer forming step according to the first embodiment, FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the composite structure forming step according to the first embodiment, and FIG. 12 is an electrode according to the first embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram of a formation process.

まず、図10に示すように、Si等の基板51の所定領域(複合構造体53を形成する領域)上に、Ti層等の下地層52を形成する。さらに、形成したその下地層52上に、Co等の触媒層56を、例えば、膜厚2nm〜10nmで形成する。   First, as shown in FIG. 10, a base layer 52 such as a Ti layer is formed on a predetermined region (region where the composite structure 53 is formed) of a substrate 51 such as Si. Further, a catalyst layer 56 such as Co is formed on the formed underlayer 52 with a film thickness of 2 nm to 10 nm, for example.

次いで、形成したその触媒層56を用い、熱CVD法により、図11に示すように、複数層のグラフェン53aと複数本のカーボンナノチューブ53bを備える複合構造体53を形成する。なお、触媒層56は、加熱により粒子化し、複合構造体53の形成に伴ってその内部や表面に取り込まれたり、下地層52上に残ったりする。上記の図9及びこの図11では、触媒層56、及び触媒層56から生成した触媒粒子の図示は省略している。   Next, using the formed catalyst layer 56, a composite structure 53 including a plurality of layers of graphene 53a and a plurality of carbon nanotubes 53b is formed by thermal CVD, as shown in FIG. The catalyst layer 56 is granulated by heating, and is taken into the interior or surface of the composite structure 53 as it is formed, or remains on the base layer 52. In FIG. 9 and FIG. 11, the illustration of the catalyst layer 56 and the catalyst particles generated from the catalyst layer 56 are omitted.

熱CVD法を用いた複合構造体53の形成は、例えば、反応ガスとしてアセチレン(C22,10%Ar希釈)とアルゴン(Ar)の混合ガスを用い、この反応ガスを真空チャンバ内に導入し、圧力1kPa、基板温度350℃〜450℃程度の条件で実施する。これにより、下地層52上に複数本のカーボンナノチューブ53bが林立し、その先端部に複数層のグラフェン53aが形成された複合構造体53が得られる。 Formation of the composite structure 53 using the thermal CVD method uses, for example, a mixed gas of acetylene (C 2 H 2 , 10% Ar dilution) and argon (Ar) as a reaction gas, and this reaction gas is placed in a vacuum chamber. It is introduced and carried out under conditions of a pressure of 1 kPa and a substrate temperature of about 350 ° C. to 450 ° C. As a result, a composite structure 53 in which a plurality of carbon nanotubes 53b stands on the base layer 52 and a plurality of layers of graphene 53a are formed at the tip thereof is obtained.

複合構造体53の形成後は、図12に示すように、その両端部を覆うように、例えば、まずTi層54a,55aを形成し、形成したTi層54a,55a上にそれぞれ、Au層54b,55bを形成する。これにより、複合構造体53の両端部に、Ti層54aにAu層54bが積層された電極54と、同じくTi層55aにAu層55bが積層された電極55が形成される。   After the formation of the composite structure 53, as shown in FIG. 12, for example, Ti layers 54a and 55a are first formed so as to cover both ends thereof, and Au layers 54b are respectively formed on the formed Ti layers 54a and 55a. , 55b. Thereby, the electrode 54 in which the Au layer 54b is laminated on the Ti layer 54a and the electrode 55 in which the Au layer 55b is laminated on the Ti layer 55a are formed at both ends of the composite structure 53.

このようなフローにより、複合構造体53を備えた熱電変換素子50を形成することができる。高い電子移動度と低い熱伝導率とを併せ持った複合構造体53を用いることにより、熱電変換効率ηの優れた熱電変換素子50を実現できる。また、熱電変換材料である複合構造体53は、炭素が主体であるため、材料コストを低く抑えることができ、さらに、比較的低温の熱CVD法を用いて形成することができるため、熱電変換素子50の製造コストを低く抑えることができる。   With such a flow, the thermoelectric conversion element 50 including the composite structure 53 can be formed. By using the composite structure 53 having both high electron mobility and low thermal conductivity, the thermoelectric conversion element 50 having excellent thermoelectric conversion efficiency η can be realized. In addition, since the composite structure 53 which is a thermoelectric conversion material is mainly made of carbon, the material cost can be kept low, and further, it can be formed using a relatively low temperature thermal CVD method. The manufacturing cost of the element 50 can be kept low.

[第2実施例]
図13は第2実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。
図13に示す熱電変換素子60では、半導体基板や絶縁基板等の基板61上に、Ti層やTiN層或いはTi層とTiN層の積層体等を用いた下地層62を介して、グラフェン63aとカーボンナノチューブ63bを備える複合構造体63が形成されている。なお、複合構造体63の各カーボンナノチューブ63bは、複数層のグラフェン63aのいずれか1層に限らず、2層以上と接合していてもよい。
[Second Embodiment]
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a thermoelectric conversion element according to the second embodiment.
In the thermoelectric conversion element 60 shown in FIG. 13, the graphene 63 a is formed on a substrate 61 such as a semiconductor substrate or an insulating substrate via a base layer 62 using a Ti layer, a TiN layer, a laminate of a Ti layer and a TiN layer, or the like. A composite structure 63 including carbon nanotubes 63b is formed. Each carbon nanotube 63b of the composite structure 63 is not limited to any one of the multiple layers of graphene 63a, and may be bonded to two or more layers.

複合構造体63の両端には、下地層62上に遷移金属等の触媒層64,65が形成され、その上にグラフェン電極66,67(触媒層64,65の直上に形成された部分)が形成されている。   At both ends of the composite structure 63, catalyst layers 64 and 65 such as transition metals are formed on the base layer 62, and graphene electrodes 66 and 67 (portions formed immediately above the catalyst layers 64 and 65) are formed thereon. Is formed.

前述のように、グラフェンは、単体で良好な導電性を示す。そこで、この熱電変換素子60では、少なくとも1層のグラフェンを含むグラフェン電極66,67を、複合構造体63の両端に設ける電極として用いている。   As described above, graphene alone exhibits good conductivity. Therefore, in this thermoelectric conversion element 60, graphene electrodes 66 and 67 including at least one layer of graphene are used as electrodes provided at both ends of the composite structure 63.

このような熱電変換素子60は、例えば、次のようにして形成することができる。
図14は第2実施例に係る下地層形成工程の断面模式図、図15は第2実施例に係る触媒層形成工程の断面模式図、図16は第2実施例に係る複合構造体及びグラフェン電極形成工程の断面模式図である。
Such a thermoelectric conversion element 60 can be formed as follows, for example.
14 is a schematic cross-sectional view of the underlayer forming process according to the second embodiment, FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the catalyst layer forming process according to the second embodiment, and FIG. 16 is a composite structure and graphene according to the second embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram of an electrode formation process.

まず、図14に示すように、基板61上に下地層62を形成する。次いで、図15に示すように、下地層62の複合構造体63を形成する領域上に、遷移金属を用い、膜厚2nm〜10nmの触媒層68を形成すると共に、下地層62のグラフェン電極66,67を形成する領域上に、触媒層68より厚く触媒層64,65を形成する。薄い触媒層68と厚い触媒層64,65とは、パターニングを利用して作り分けることができる。また、薄い触媒層68と厚い触媒層64,65の材質は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。   First, as shown in FIG. 14, the base layer 62 is formed on the substrate 61. Next, as shown in FIG. 15, a transition metal is used to form a catalyst layer 68 having a thickness of 2 nm to 10 nm on the region where the composite structure 63 of the base layer 62 is formed, and the graphene electrode 66 of the base layer 62 is formed. , 67 are formed to be thicker than the catalyst layer 68 on the region where the. The thin catalyst layer 68 and the thick catalyst layers 64 and 65 can be separately formed using patterning. Further, the material of the thin catalyst layer 68 and the thick catalyst layers 64 and 65 may be the same or different.

触媒層68,64,65の形成後は、熱CVD法により、図16に示すように、複数層のグラフェン63aと複数本のカーボンナノチューブ63bを備える複合構造体63、及びグラフェン電極66,67を形成する。複合構造体63及びグラフェン電極66,67の形成は、例えば、反応ガスとしてC22(10%Ar希釈)とArの混合ガスを用い、この反応ガスを真空チャンバ内に導入し、圧力1kPa、基板温度350℃〜450℃程度の条件で実施する。 After the formation of the catalyst layers 68, 64, 65, as shown in FIG. 16, a composite structure 63 including a plurality of layers of graphene 63a and a plurality of carbon nanotubes 63b, and graphene electrodes 66, 67 are formed by thermal CVD. Form. Formation of the composite structure 63 and the graphene electrodes 66 and 67 uses, for example, a mixed gas of C 2 H 2 (10% Ar dilution) and Ar as a reaction gas, and introduces this reaction gas into a vacuum chamber, and a pressure of 1 kPa. The substrate temperature is about 350 ° C. to 450 ° C.

このような熱CVD法を用いた場合には、複合構造体63が、薄く形成した触媒層68から選択的に形成される。なお、触媒層68は、加熱により粒子化して複合構造体63の内部や表面に取り込まれたり、下地層62上に残ったりするが、上記の図13及びこの図16では、触媒層68、及び触媒層68から生成した触媒粒子の図示は省略している。一方、グラフェン電極66,67は、厚く形成した触媒層64,65から選択的に形成される。   When such a thermal CVD method is used, the composite structure 63 is selectively formed from the thin catalyst layer 68. The catalyst layer 68 is granulated by heating and is taken into the interior or surface of the composite structure 63 or remains on the underlayer 62. In FIG. 13 and FIG. 16, the catalyst layer 68 and Illustration of the catalyst particles generated from the catalyst layer 68 is omitted. On the other hand, the graphene electrodes 66 and 67 are selectively formed from the thick catalyst layers 64 and 65.

このように触媒層68,64,65の膜厚を制御しておくことにより、それぞれの触媒層68,64,65から形成される炭素材料の形態を制御することができる。従って、触媒層68,64,65の形成にあたっては、複合構造体63を選択的に形成可能な膜厚で触媒層68を形成し、グラフェン電極66,67を選択的に形成可能な膜厚で触媒層64,65を形成しておく。   Thus, by controlling the film thicknesses of the catalyst layers 68, 64, 65, the form of the carbon material formed from the catalyst layers 68, 64, 65 can be controlled. Therefore, in forming the catalyst layers 68, 64, 65, the catalyst layer 68 is formed with a film thickness capable of selectively forming the composite structure 63, and the graphene electrodes 66, 67 are formed with a film thickness capable of being selectively formed. Catalyst layers 64 and 65 are formed.

このようなフローにより、複合構造体63を備え、電極としてグラフェン電極66,67を備えた熱電変換素子60を形成することができる。高い電子移動度と低い熱伝導率とを併せ持った複合構造体63を用いることにより、熱電変換効率ηの優れた熱電変換素子60を実現でき、また、そのような熱電変換素子60を低コストで形成することができる。   Through such a flow, the thermoelectric conversion element 60 including the composite structure 63 and including the graphene electrodes 66 and 67 as electrodes can be formed. By using the composite structure 63 having both high electron mobility and low thermal conductivity, a thermoelectric conversion element 60 with excellent thermoelectric conversion efficiency η can be realized, and such a thermoelectric conversion element 60 can be manufactured at low cost. Can be formed.

[第3実施例]
図17は第3実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。
図17に示す熱電変換素子70では、半導体基板や絶縁基板等の基板71の上に、Ti層やTiN層或いはTi層とTiN層の積層体等を用いた下地層72を挟んで、第1,第2複合構造体73,74が形成されている。
[Third embodiment]
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a thermoelectric conversion element according to the third embodiment.
In the thermoelectric conversion element 70 shown in FIG. 17, the first layer is sandwiched between a substrate 71 such as a semiconductor substrate or an insulating substrate, using a Ti layer, a TiN layer, or a laminate of a Ti layer and a TiN layer. , Second composite structures 73 and 74 are formed.

基板71と下地層72との間に形成された第1複合構造体73は、基板71側に複数層のグラフェン73a、下地層72側に複数本のカーボンナノチューブ73bが形成されている。一方、下地層72上に形成された第2複合構造体74は、下地層72側に複数本のカーボンナノチューブ74b、それらの先端部に複数層のグラフェン74aが形成されている。   In the first composite structure 73 formed between the substrate 71 and the base layer 72, a plurality of graphenes 73a are formed on the substrate 71 side, and a plurality of carbon nanotubes 73b are formed on the base layer 72 side. On the other hand, in the second composite structure 74 formed on the underlayer 72, a plurality of carbon nanotubes 74b are formed on the underlayer 72 side, and a plurality of layers of graphene 74a are formed at the tip portions thereof.

ここでは、このような第1,第2複合構造体73,74を含む積層構造が、基板71上に複数並置されている場合を例示している。そして、第1,第2複合構造体73,74の両端部をそれぞれ覆うように、電極75,76が形成されている。   Here, a case where a plurality of such laminated structures including the first and second composite structures 73 and 74 are juxtaposed on the substrate 71 is illustrated. Electrodes 75 and 76 are formed so as to cover both ends of the first and second composite structures 73 and 74, respectively.

このように、熱電変換材料として複数の複合構造体を形成することにより、熱電変換効率ηをより高めることが可能になる。
このような熱電変換素子70は、例えば、次のようにして形成することができる。
Thus, by forming a plurality of composite structures as the thermoelectric conversion material, it becomes possible to further increase the thermoelectric conversion efficiency η.
Such a thermoelectric conversion element 70 can be formed as follows, for example.

図18は第3実施例に係る触媒層及び下地層形成工程の説明図であって、(A)は断面模式図、(B)は平面模式図である。また、図19は第3実施例に係る複合構造体形成工程の断面模式図、図20は第3実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。   18A and 18B are explanatory views of the catalyst layer and underlayer forming process according to the third embodiment, in which FIG. 18A is a schematic sectional view and FIG. 18B is a schematic plan view. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the composite structure forming step according to the third embodiment, and FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the electrode forming step according to the third embodiment.

まず、図18に示すように、基板71の所定領域上に、第1触媒層77、下地層72及び第2触媒層78を順に形成する。第1,第2触媒層77,78は、遷移金属を用い、膜厚2nm〜10nmで形成する。   First, as shown in FIG. 18, a first catalyst layer 77, a base layer 72, and a second catalyst layer 78 are sequentially formed on a predetermined region of the substrate 71. The first and second catalyst layers 77 and 78 are formed with a film thickness of 2 nm to 10 nm using a transition metal.

その後、熱CVD法により、図19に示すように、第1,第2複合構造体73,74を形成する。第1,第2複合構造体73,74の形成は、例えば、反応ガスとしてC22(10%Ar希釈)とArの混合ガスを用い、この反応ガスを真空チャンバ内に導入し、圧力1kPa、基板温度350℃〜450℃程度の条件で実施する。 Thereafter, as shown in FIG. 19, first and second composite structures 73 and 74 are formed by thermal CVD. The first and second composite structures 73 and 74 are formed by using, for example, a mixed gas of C 2 H 2 (10% Ar dilution) and Ar as a reaction gas, introducing the reaction gas into a vacuum chamber, It is carried out under conditions of 1 kPa and a substrate temperature of about 350 ° C. to 450 ° C.

このような熱CVD法を用いた場合には、基板71と下地層72の間の第1触媒層77からグラフェン73a及びカーボンナノチューブ73bが形成されていくと共に、下地層72上の第2触媒層78からもグラフェン74a及びカーボンナノチューブ74bが形成されていく。その結果、下地層72の上下面にそれぞれ、複数本のカーボンナノチューブ73b,74bが林立し、それらの先端部(下地層72と反対の側)に複数層のグラフェン73a,74aが形成された、第1,第2複合構造体73,74が得られるようになる。なお、第1,第2触媒層77,78は、加熱により粒子化して第1,第2複合構造体73,74の内部や表面に取り込まれたり、下地層72上に残ったりする。上記の図17及びこの図19では、第1,第2触媒層77,78及びそれらから生成した触媒粒子の図示は省略している。   When such a thermal CVD method is used, the graphene 73a and the carbon nanotube 73b are formed from the first catalyst layer 77 between the substrate 71 and the base layer 72, and the second catalyst layer on the base layer 72 is formed. From 78, graphene 74a and carbon nanotube 74b are formed. As a result, a plurality of carbon nanotubes 73b and 74b were erected on the upper and lower surfaces of the underlayer 72, respectively, and a plurality of layers of graphene 73a and 74a were formed at their tip portions (side opposite to the underlayer 72). The first and second composite structures 73 and 74 are obtained. The first and second catalyst layers 77 and 78 are granulated by heating and are taken into the inside and the surface of the first and second composite structures 73 and 74 or remain on the base layer 72. In FIG. 17 and FIG. 19, the first and second catalyst layers 77 and 78 and the catalyst particles generated from them are not shown.

第1,第2複合構造体73,74の形成後は、図20に示すように、それらの両端部を覆うように、例えば、Ti層75a,76a及びAu層75b,76bを形成し、電極75,76を形成する。   After the formation of the first and second composite structures 73 and 74, for example, Ti layers 75a and 76a and Au layers 75b and 76b are formed so as to cover both ends thereof as shown in FIG. 75, 76 are formed.

このようなフローにより、下地層72を挟んで形成された第1,第2複合構造体73,74を備えた熱電変換素子70を形成することができる。高い電子移動度と低い熱伝導率とを併せ持った第1,第2複合構造体73,74を用いることにより、熱電変換効率ηの優れた熱電変換素子70を実現でき、また、そのような熱電変換素子70を低コストで形成することができる。   With such a flow, the thermoelectric conversion element 70 including the first and second composite structures 73 and 74 formed with the base layer 72 interposed therebetween can be formed. By using the first and second composite structures 73 and 74 having both high electron mobility and low thermal conductivity, a thermoelectric conversion element 70 having excellent thermoelectric conversion efficiency η can be realized. The conversion element 70 can be formed at low cost.

[第4実施例]
図21は第4実施例に係る熱電変換素子の概略構成図である。
図21に示す熱電変換素子80では、半導体基板や絶縁基板等の基板81の上方に、Ti層やTiN層或いはTi層とTiN層の積層体等を用いた第1下地層82を介して、第1複合構造体83が形成されている。さらに、この熱電変換素子80では、第1複合構造体83の上方に、Ti層やTiN層或いはTi層とTiN層の積層体等を用いた第2下地層84を介して、第2複合構造体85が形成されている。
[Fourth embodiment]
FIG. 21 is a schematic configuration diagram of a thermoelectric conversion element according to the fourth embodiment.
In the thermoelectric conversion element 80 shown in FIG. 21, a first base layer 82 using a Ti layer, a TiN layer, or a laminate of a Ti layer and a TiN layer is disposed above a substrate 81 such as a semiconductor substrate or an insulating substrate. A first composite structure 83 is formed. Further, in the thermoelectric conversion element 80, the second composite structure is disposed above the first composite structure 83 via the second underlayer 84 using a Ti layer, a TiN layer, or a laminate of a Ti layer and a TiN layer. A body 85 is formed.

第1下地層82と第2下地層84との間に形成された第1複合構造体83は、第1下地層82側に複数本のカーボンナノチューブ83b、第2下地層84側に複数層のグラフェン83aが形成されている。一方、第2下地層84上に形成された第2複合構造体85は、第2下地層84側に複数本のカーボンナノチューブ85b、それらの先端部に複数層のグラフェン85aが形成されている。そして、第1,第2複合構造体83,85の両端部をそれぞれ覆うように、電極86,87が形成されている。   The first composite structure 83 formed between the first underlayer 82 and the second underlayer 84 has a plurality of carbon nanotubes 83b on the first underlayer 82 side and a plurality of layers on the second underlayer 84 side. Graphene 83a is formed. On the other hand, in the second composite structure 85 formed on the second underlayer 84, a plurality of carbon nanotubes 85b are formed on the second underlayer 84 side, and a plurality of layers of graphene 85a are formed at the tip portions thereof. Electrodes 86 and 87 are formed so as to cover both end portions of the first and second composite structures 83 and 85, respectively.

このように、熱電変換材料として複数の複合構造体を形成することにより、熱電変換効率ηをより高めることが可能になる。
このような熱電変換素子80は、例えば、次のようにして形成することができる。なお、この第4実施例では、第1複合構造体83の形成までは、上記第1実施例で述べた図10(下地層52及び触媒層56の形成)及び図11(複合構造体53の形成)の各工程と同様に行うことができるため、ここでは、それ以降の工程について説明する。
Thus, by forming a plurality of composite structures as the thermoelectric conversion material, it becomes possible to further increase the thermoelectric conversion efficiency η.
Such a thermoelectric conversion element 80 can be formed as follows, for example. In the fourth embodiment, the processes up to the formation of the first composite structure 83 are the same as those shown in FIG. 10 (formation of the base layer 52 and the catalyst layer 56) and FIG. Since this can be performed in the same manner as each step of (formation), the subsequent steps will be described here.

図22は第4実施例に係る第2下地層及び触媒層形成工程の断面模式図、図23は第4実施例に係る第2複合構造体形成工程の断面模式図、図24は第4実施例に係る電極形成工程の断面模式図である。   22 is a schematic cross-sectional view of the second underlayer and catalyst layer forming step according to the fourth embodiment, FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of the second composite structure forming step according to the fourth embodiment, and FIG. 24 is the fourth embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram of the electrode formation process which concerns on an example.

まず、上記第1実施例の図10及び図11に示したのと同様にして、基板81上に第1下地層82及び触媒層を形成し、熱CVD法により、複数層のグラフェン83aと複数本のカーボンナノチューブ83bを備える第1複合構造体83を形成する。なお、この第1複合構造体83の形成に用いられる触媒層は、加熱により粒子化して第1複合構造体83の内部や表面に取り込まれたり、第1下地層82上に残ったりするが、図22では、触媒層及びそこから生成した触媒粒子の図示は省略している。   First, in the same manner as shown in FIGS. 10 and 11 of the first embodiment, a first underlayer 82 and a catalyst layer are formed on a substrate 81, and a plurality of layers of graphene 83a and a plurality of layers are formed by thermal CVD. A first composite structure 83 including the carbon nanotubes 83b is formed. The catalyst layer used for forming the first composite structure 83 is granulated by heating and taken into the inside or surface of the first composite structure 83, or remains on the first underlayer 82. In FIG. 22, illustration of the catalyst layer and the catalyst particles generated therefrom is omitted.

第1複合構造体83の形成後は、図22に示すように、その上に、第1下地層82と同様にして第2下地層84を形成し、さらに、その第2下地層84上に、遷移金属を用い、膜厚2nm〜10nmの触媒層88を形成する。   After the formation of the first composite structure 83, as shown in FIG. 22, a second underlayer 84 is formed thereon in the same manner as the first underlayer 82, and further on the second underlayer 84. The catalyst layer 88 having a film thickness of 2 nm to 10 nm is formed using a transition metal.

次いで、形成したその触媒層88を用い、熱CVD法により、図23に示すように、複数層のグラフェン85aと複数本のカーボンナノチューブ85bを備える第2複合構造体85を形成する。なお、この第2複合構造体85の形成に用いられる触媒層88は、加熱により粒子化して第2複合構造体85の内部や表面に取り込まれたり、第2下地層84上に残ったりするが、図23では、触媒層88及びそこから生成した触媒粒子の図示は省略している。   Next, as shown in FIG. 23, a second composite structure 85 including a plurality of layers of graphene 85a and a plurality of carbon nanotubes 85b is formed by thermal CVD using the catalyst layer 88 thus formed. The catalyst layer 88 used to form the second composite structure 85 is granulated by heating and taken into the inside or surface of the second composite structure 85 or remains on the second underlayer 84. In FIG. 23, illustration of the catalyst layer 88 and catalyst particles generated therefrom is omitted.

熱CVD法を用いた第1,第2複合構造体83,85の形成はそれぞれ、例えば、反応ガスとしてC22(10%Ar希釈)とArの混合ガスを用い、この反応ガスを真空チャンバ内に導入し、圧力1kPa、基板温度350℃〜450℃程度の条件で実施する。これにより、第1,第2下地層82,84上にそれぞれ、複数本のカーボンナノチューブ83b,85bが林立し、それらの先端部に複数層のグラフェン83a,85aが形成された第1,第2複合構造体83,85が得られる。 The formation of the first and second composite structures 83 and 85 using the thermal CVD method uses, for example, a mixed gas of C 2 H 2 (10% Ar dilution) and Ar as a reaction gas, and the reaction gas is evacuated. It introduce | transduces in a chamber and implements on the conditions of a pressure of 1 kPa, and substrate temperature 350 degreeC-about 450 degreeC. As a result, a plurality of carbon nanotubes 83b and 85b stand on the first and second base layers 82 and 84, respectively, and a plurality of layers of graphene 83a and 85a are formed at the tip portions thereof. Composite structures 83 and 85 are obtained.

このようにして第1,第2複合構造体83,85を形成した後は、図24に示すように、それらの両端部を覆うように、例えば、まずTi層86a,87a及びAu層86b,87bを形成し、電極86,87を形成する。   After forming the first and second composite structures 83 and 85 in this way, as shown in FIG. 24, for example, first, Ti layers 86a and 87a and Au layers 86b, 87b is formed, and electrodes 86 and 87 are formed.

このようなフローにより、第1,第2下地層82,84上にそれぞれ第1,第2複合構造体83,85を備えた熱電変換素子80を形成することができる。高い電子移動度と低い熱伝導率とを併せ持った第1,第2複合構造体83,85を用いることにより、熱電変換効率ηの優れた熱電変換素子80を実現でき、また、そのような熱電変換素子80を低コストで形成することができる。   Through such a flow, the thermoelectric conversion element 80 including the first and second composite structures 83 and 85 on the first and second base layers 82 and 84 can be formed. By using the first and second composite structures 83 and 85 having both high electron mobility and low thermal conductivity, a thermoelectric conversion element 80 having excellent thermoelectric conversion efficiency η can be realized. The conversion element 80 can be formed at low cost.

以上、第1〜第4実施例について説明したが、グラフェンとカーボンナノチューブを備える複合構造体を用いた熱電変換素子の構成は、上記の例に限定されるものではない。
例えば、第1実施例において、1枚の基板51の上方に、複数の複合構造体53を並べて形成することも可能である。その場合は、一対の電極54,55間に、複数の複合構造体53を、各両端部がその一対の電極54,55と接続されるように、並べて形成することができる。或いは、複数組の一対の電極54,55間にそれぞれ、複数の複合構造体53を、各両端部が各一対の電極54,55と接続されるように、並べて形成し、各電極54同士及び各電極55同士を、導電体を用いて連結することもできる。
The first to fourth examples have been described above, but the configuration of the thermoelectric conversion element using the composite structure including graphene and carbon nanotubes is not limited to the above example.
For example, in the first embodiment, a plurality of composite structures 53 can be formed side by side above a single substrate 51. In that case, a plurality of composite structures 53 can be formed side by side between the pair of electrodes 54 and 55 so that both ends are connected to the pair of electrodes 54 and 55. Alternatively, a plurality of composite structures 53 are formed between the plurality of pairs of electrodes 54 and 55 so that both end portions are connected to the pair of electrodes 54 and 55, respectively. Each electrode 55 can also be connected using a conductor.

また、第2実施例においても同様に、1枚の基板61の上方に、複数の複合構造体63を並べて形成することが可能である。さらに、基板61の上方に形成した複合構造体63の上に、例えば第3,第4実施例で述べた手法を用い、複合構造体を積層することも可能である。   Similarly, in the second embodiment, a plurality of composite structures 63 can be formed side by side above one substrate 61. Furthermore, it is possible to stack the composite structure on the composite structure 63 formed above the substrate 61 by using, for example, the method described in the third and fourth embodiments.

また、第3実施例においても、第1,第2複合構造体73,74の組の上層に、例えば第3,第4実施例で述べた手法を用い、別の複合構造体を積層することが可能である。
また、第4実施例においても、1枚の基板81の上方に、第1,第2複合構造体83,85を複数組並べて形成したり、第1,第2複合構造体83,85の組の上層に、例えば第3,第4実施例で述べた手法を用い、複合構造体を積層したりすることが可能である。
Also in the third embodiment, another composite structure is laminated on the upper layer of the first and second composite structures 73 and 74 by using, for example, the method described in the third and fourth embodiments. Is possible.
Also in the fourth embodiment, a plurality of first and second composite structures 83 and 85 are formed side by side above a single substrate 81, or a set of first and second composite structures 83 and 85 is formed. For example, the composite structure can be laminated on the upper layer using the method described in the third and fourth embodiments.

このような変更を行うことで、より熱電変換効率ηの高い熱電変換素子を実現することが可能になる。
なお、ここでは、複合構造体として、カーボンナノチューブの一方の端部にグラフェンが接合されたものを例示したが、カーボンナノチューブの両端部にグラフェンが接合されたものも、その形成条件を適切に制御することにより、形成することが可能である。このような構成の複合構造体を用いた場合にも、上記同様、熱電変換効率ηの高い熱電変換素子を実現することができる。
By making such a change, it is possible to realize a thermoelectric conversion element having a higher thermoelectric conversion efficiency η.
Here, as the composite structure, an example in which graphene is bonded to one end of a carbon nanotube is illustrated, but the formation condition of a graphene bonded to both ends of a carbon nanotube is appropriately controlled. By doing so, it can be formed. Even when the composite structure having such a configuration is used, a thermoelectric conversion element having a high thermoelectric conversion efficiency η can be realized as described above.

熱電変換素子は、CPUチップ、高出力・高周波電力増幅器、電気自動車の駆動モジュール等の電子デバイスのほか、火力発電所やサーバシステム、或いは体温等、様々な発熱体からの熱電変換に広く利用することが可能である。   Thermoelectric conversion elements are widely used for thermoelectric conversion from various heating elements such as CPU chips, high-power / high-frequency power amplifiers, electronic vehicle drive modules, thermal power plants, server systems, and body temperature. It is possible.

図25は熱電変換素子の適用例を示す図である。
図25には、発熱体となるLSI(Large Scale Integration)等のチップ101と、そのチップ101から生じた熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子102とを備えた電子機器100を例示している。
FIG. 25 is a diagram illustrating an application example of a thermoelectric conversion element.
FIG. 25 illustrates an electronic device 100 including a chip 101 such as an LSI (Large Scale Integration) serving as a heating element, and a thermoelectric conversion element 102 that converts thermal energy generated from the chip 101 into electrical energy. Yes.

チップ101は、はんだ等のバンプ103を介して、ビルドアップ基板等の配線基板104に電気的に接続されている。配線基板104は、さらに、はんだ等のバンプ105を介して、マザーボード等の配線基板106に電気的に接続されている。また、配線基板104には、チップ101から生じた熱を伝熱するためのマイクロヒートパイプ107が搭載されている。マイクロヒートパイプ107は、ウィック107aを設けた内部に水等の作動流体107bが所定量封入されており、一方側の端部(受熱部)107cが、放熱シート108を介して、チップ101と熱的に接続されている。また、他方側の端部(放熱部)107dには、熱電変換素子102が熱的に接続され、その熱電変換素子102には、ヒートシンク109が熱的に接続されている。   The chip 101 is electrically connected to a wiring substrate 104 such as a build-up substrate via bumps 103 such as solder. The wiring board 104 is further electrically connected to a wiring board 106 such as a mother board via bumps 105 such as solder. In addition, a micro heat pipe 107 for transferring heat generated from the chip 101 is mounted on the wiring board 104. In the micro heat pipe 107, a predetermined amount of a working fluid 107b such as water is sealed inside a wick 107a, and one end portion (heat receiving portion) 107c is heated with the chip 101 via the heat dissipation sheet 108. Connected. In addition, the thermoelectric conversion element 102 is thermally connected to the other end (heat radiation part) 107d, and the heat sink 109 is thermally connected to the thermoelectric conversion element 102.

熱電変換素子102には、例えば、上記のような形態を有する熱電変換素子50〜80を1つ又は2つ以上含むものを用いることができる。なお、その際は、熱電変換素子50〜80のうちの異なる種類のものを組み合わせて用いることもできる。   As the thermoelectric conversion element 102, for example, an element including one or two or more thermoelectric conversion elements 50 to 80 having the above-described form can be used. In this case, different types of thermoelectric conversion elements 50 to 80 can be used in combination.

このような電子機器100において、チップ101から生じた熱が、マイクロヒートパイプ107の受熱部107cに伝熱されると、作動流体107bが蒸発し、その蒸気が放熱部107dへと流れる。そして、その作動流体107bの熱が熱電変換素子102に伝熱されると共に、作動流体107bは凝縮し、その液体がウィック107aを伝って受熱部107cに戻っていく。   In such an electronic device 100, when the heat generated from the chip 101 is transferred to the heat receiving portion 107c of the micro heat pipe 107, the working fluid 107b evaporates and the vapor flows to the heat radiating portion 107d. Then, the heat of the working fluid 107b is transferred to the thermoelectric conversion element 102, the working fluid 107b is condensed, and the liquid travels through the wick 107a and returns to the heat receiving portion 107c.

熱電変換素子102は、一方側に熱が供給され、他方側がヒートシンク109によって冷却されることで、両端部間に温度差が与えられ、それによって起電力が発生するようになる。そして、このようにして熱エネルギーから変換された電気エネルギーは、蓄電部110に蓄えられる。蓄電部110を、配線基板104にバンプ103を介して電気的に接続しておき、蓄えられた電気エネルギーをチップ101等に供給すること等も可能である。   The thermoelectric conversion element 102 is supplied with heat on one side and cooled on the other side by the heat sink 109, thereby giving a temperature difference between both ends, thereby generating an electromotive force. The electrical energy converted from the heat energy in this way is stored in the power storage unit 110. It is also possible to electrically connect the power storage unit 110 to the wiring substrate 104 via the bump 103 and supply the stored electrical energy to the chip 101 or the like.

このような電子機器100によれば、チップ101で発生した熱を単に外部へ放熱せず、熱電変換素子102を用いて電気エネルギーに変換するため、チップ101を冷却しながら効率的に稼動させつつ、省エネルギー化に寄与することができる。   According to such an electronic device 100, since the heat generated in the chip 101 is not simply dissipated to the outside but is converted into electric energy using the thermoelectric conversion element 102, the chip 101 is efficiently operated while being cooled. , Can contribute to energy saving.

以上説明したように、熱電変換材料として、グラフェンのように複数の炭素原子がシート状に配列された構造体と、カーボンナノチューブのように複数の炭素原子が筒状に配列された構造体とを含む炭素材料を用いる。このような炭素材料によれば、高い電子移動度と低い熱伝導率とを両立させることが可能であるため、熱電変換効率ηの高い熱電変換素子が実現可能になる。また、このような炭素材料は、炭素のみ、或いは炭素を主成分として形成することができるため、熱電変換素子の材料コストを低減することが可能になる。さらに、このような炭素材料は、比較的低温のプロセスで形成することができるため、熱電変換素子の製造コストを低減することも可能になる。   As described above, as a thermoelectric conversion material, a structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a sheet shape like graphene, and a structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a cylinder shape like carbon nanotubes Use carbon materials. According to such a carbon material, it is possible to achieve both high electron mobility and low thermal conductivity. Therefore, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency η can be realized. In addition, since such a carbon material can be formed using only carbon or carbon as a main component, the material cost of the thermoelectric conversion element can be reduced. Furthermore, since such a carbon material can be formed by a process at a relatively low temperature, the manufacturing cost of the thermoelectric conversion element can be reduced.

また、このような熱電変換素子を、チップを含んだ電子機器に搭載する等、様々な発熱体と共に使用することにより、発生する熱を有効利用し、より一層、省エネルギー化に寄与することが可能になる。   In addition, by using such a thermoelectric conversion element with various heating elements such as mounting on an electronic device including a chip, it is possible to effectively use the generated heat and further contribute to energy saving. become.

10,10a,10b,10c,53a,63a,73a,74a,83a,85a グラフェン
11 炭素原子
20a,20b,20c,53b,63b,73b,74b,83b,85b カーボンナノチューブ
30a,30b,30c,53,63 複合構造体
50,60,70,80,102 熱電変換素子
51,61,71,81 基板
52,62,72 下地層
54,55,75,76,86,87 電極
54a,55a,75a,76a,86a,87a Ti層
54b,55b,75b,76b,86b,87b Au層
56,64,65,68,88 触媒層
66,67 グラフェン電極
73,83 第1複合構造体
74,85 第2複合構造体
77 第1触媒層
78 第2触媒層
82 第1下地層
84 第2下地層
100 電子機器
101 チップ
103,105 バンプ
104,106 配線基板
107 マイクロヒートパイプ
107a ウィック
107b 作動流体
107c 受熱部
107d 放熱部
108 放熱シート
109 ヒートシンク
110 蓄電部
10, 10a, 10b, 10c, 53a, 63a, 73a, 74a, 83a, 85a Graphene 11 Carbon atoms 20a, 20b, 20c, 53b, 63b, 73b, 74b, 83b, 85b Carbon nanotubes 30a, 30b, 30c, 53, 63 Composite structure 50, 60, 70, 80, 102 Thermoelectric conversion element 51, 61, 71, 81 Substrate 52, 62, 72 Underlayer 54, 55, 75, 76, 86, 87 Electrode 54a, 55a, 75a, 76a , 86a, 87a Ti layer 54b, 55b, 75b, 76b, 86b, 87b Au layer 56, 64, 65, 68, 88 Catalyst layer 66, 67 Graphene electrode 73, 83 First composite structure 74, 85 Second composite structure Body 77 First catalyst layer 78 Second catalyst layer 82 First underlayer 84 Second underlayer 100 Electronic device 01 chips 103 and 105 bumps 104, 106 wiring board 107 micro heat pipes 107a wick 107b working fluid 107c heat receiving portion 107d radiating portion 108 dissipation sheet 109 heat sink 110 power storage unit

Claims (7)

複数の炭素原子がシート状に配列された少なくとも1つの第1構造体と、複数の炭素原子が筒状に配列された少なくとも1つの第2構造体とを含む炭素材料と、
前記炭素材料に電気的に接続された一対の電極と、
を有することを特徴とする熱電変換素子。
A carbon material including at least one first structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a sheet shape, and at least one second structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a cylindrical shape;
A pair of electrodes electrically connected to the carbon material;
The thermoelectric conversion element characterized by having.
前記炭素材料は、フォノンの波数と周波数の関係を示す分散関係において、所定波数領域の周波数ゼロから所定周波数までの間に、フォノンの励起が抑制されるギャップが存在することを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。   The carbon material has a gap in which excitation of phonons is suppressed between a frequency of zero and a predetermined frequency in a predetermined wave number region in a dispersion relationship indicating a relationship between a phonon wave number and a frequency. 1. The thermoelectric conversion element according to 1. 前記第1構造体が、前記第2構造体の開口端部に接合されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first structure is joined to an opening end of the second structure. 複数の前記第2構造体が、前記第1構造体に周期的に接合されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電変換素子。   4. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the plurality of second structures are periodically joined to the first structure. 5. 前記炭素材料は、基板上方に配置され、
前記第1構造体は、前記基板の平面方向に延在し、前記第2構造体は、前記基板の垂直方向に延在し、
前記一対の電極は、前記炭素材料を挟んで前記基板上方に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の熱電変換素子。
The carbon material is disposed above the substrate,
The first structure extends in a planar direction of the substrate, the second structure extends in a vertical direction of the substrate;
5. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the pair of electrodes are disposed above the substrate with the carbon material interposed therebetween.
複数の炭素原子がシート状に配列された少なくとも1つの第1構造体と、複数の炭素原子が筒状に配列された少なくとも1つの第2構造体とを含む炭素材料を形成する工程と、
前記炭素材料に電気的に接続された一対の電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
Forming a carbon material including at least one first structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a sheet shape and at least one second structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a cylinder shape;
Forming a pair of electrodes electrically connected to the carbon material;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by having.
複数の炭素原子がシート状に配列された少なくとも1つの第1構造体と、複数の炭素原子が筒状に配列された少なくとも1つの第2構造体とを含む炭素材料と、
前記炭素材料に電気的に接続された一対の電極と、
を有する熱電変換素子を備えることを特徴とする電子機器。
A carbon material including at least one first structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a sheet shape, and at least one second structure in which a plurality of carbon atoms are arranged in a cylindrical shape;
A pair of electrodes electrically connected to the carbon material;
An electronic apparatus comprising a thermoelectric conversion element having
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