北海道大学（校长：名和丰治）、韩国成均馆大学（校长：郑圭尚)，米乐m6官方网站（会长：中钵良二），蓝色发光二极管注1)半导体二维电子气注2)与已实用化的热电转换材料相比，其热电转换输出系数高出2～6倍。二维电子气是充满电子的纳米 (nm) 级极薄层。近年来，美国和中国相继报道了高性能热电转换材料，但实际应用仍面临诸多挑战，如性能无法再现等。这一发现有望为提高直接将温差转化为电能的热电材料的性能提供有用的材料设计指南。未来，这将催生有效将工厂、火力发电厂和汽车的废热转化为电能的技术。
研究论文名称：高迁移率二维电子气的高热电功率因数(高迁移率二维电子气的高热电转换输出系数)
作者：太田弘道1,2，金圣雄3，金木翔太2，山本淳4，桥爪保2,5
（1北海道大学电子科学研究所2北海道大学情报科学研究生院3成均馆大学4国立产业技术综合研究所节能研究部、5北海道大学量子集成电子研究中心)
出版杂志：先进科学（德国 Wiley 开放获取期刊）
发布日期：2017 年 11 月 24 日星期五，欧洲中部时间（在线发布）
（背景）
金属和半导体塞贝克效应注3)直接将温差转换为电能的热电转换，作为将工厂、火力发电厂、汽车等的废热直接转换为电能的清洁能源转换技术而受到关注。该热电转换技术中可使用的半导体（=热电转换材料）的热⇔电转换性能为电压（热电注4)、S)，内阻的倒数（电导率，σ)，易于传热（导热率，κ)，平均温度T通过以下公式确定
热电转换品质因数ZT=S2×σ×T／κ
换句话说，容易产生温差、具有大电压并且容易导电的材料作为热电转换材料是优异的。热⇔电转换效率就是这个品质因数ZT确定以及施加于热电转换材料的温度差的大小。例如，ZT的热电转换材料时1，热电转换效率约为17%。
当前品质因数ZT略超过1已投入实际使用，但这些材料由于资源有限而价格昂贵，化学稳定性和热稳定性低，并且具有相关毒性，这些都是大规模商业化的障碍。特别是碲化铋，含有重金属元素碲，具有很大的ZT(>1) 然而，由于碲的稀有性（自然资源比铂更稀有且更昂贵）和毒性，世界各地正在积极进行不使用这些元素的热电转换材料的开发。
近年来，美国和中国的研究人员一直在开发高性能热电转换材料（ZT> 2)已经公布，并吸引了许多热电转换材料研究人员的关注，但实际应用仍然存在许多挑战，包括性能再现性问题。其主要原因是这些材料所用的陶瓷和烧结体（粉末烘烤固化而成的样品）存在较多的晶界（晶粒间的边界），晶粒尺寸和晶粒取向不均匀。ZT是显着不同的。ZT的样本
北海道大学电子科学研究所的 Hiromichi Ota 教授、该大学量子集成电子研究中心的 Tamotsu Hashizume 教授、韩国成均馆大学的 Seung-young Kim 教授和国立先进产业技术研究院的 Yamamoto 教授领导的联合研究小组使用没有晶界的单晶代替烧结体进行了研究，目的是轻松地模拟“如何我们如何提高热电材料的性能？”并提出材料设计指南，以提高未来热电转换材料的性能。为了提高热电材料的性能，热电转换输出因子(S2×σ) 和热导率，这是一种热性能κ，但在本研究中，我们创建了一个增加热电转换输出因子的假设，并通过实验验证了这一点。
具体来说，我们专注于利用氮化镓 (GaN) 的高电子迁移率的二维电子气，氮化镓是蓝色发光二极管的材料 (图 1）。通常，为了提高半导体氮化镓中的电流流动性(导电性)，混入硅等杂质。此时，硅在氮化镓晶体中变成离子，产生负责导电的电子。当对氮化镓这样的半导体施加温差时，会产生电压（热电动势），电子从较热的一侧流向较冷的一侧，但离子化的硅阻挡了电子的流动，因此电导率不会增加太多。换句话说，普通的半导体氮化镓无法提供大的热电输出。
另一方面，在半导体二维电子气的情况下，通过使用静电在薄区域中收集氮化镓晶体中的电子来提高导电率，而不是混合杂质。由于它不含任何杂质，我们预测二维电子气中的电子可以高速运动并表现出很大的热电输出。
（研究方法）
图 2a显示了本研究中制造的半导体二维电子气的示意图。这次，我们在氮化铝镓（AlGaN）/GaN制成的半导体二维电子气顶部放置了一层绝缘层（氧化铝，厚30 nm）来改变静电力，并制作了具有源极、漏极和栅极的三端薄膜晶体管结构，用于热电效应测量。当在栅极和源极之间施加负电压时，二维电子气电子浓度注5)减小，相反，当施加正电压时，二维电子气的电子浓度增加。晶体管特性和热电效应是图 2b所示。在栅极和源极之间施加恒定电压，在控制二维电子气的电子浓度的同时，使用两个珀耳帖元件向二维电子气施加温度差，并用电压计测量源电极和漏电极之间产生的电压（热电动势）。
（研究结果）
通过改变静电力（栅极电压）来控制半导体二维电子气的电子浓度，并测量此时的电子迁移率（图 3a）。正如预期的那样，即使片状电子浓度注5)增加，半导体二维电子气的电子迁移率也不会降低，并且1012厘米-210 起13厘米-21000 厘米2V-1S-1被维持。另一方面，热电势的绝对值随着片层电子浓度的增加而减小，类似于在一般半导体中观察到的趋势（图 3b）。二维电子气的净电子浓度是根据已经报道的一般半导体氮化镓的热电势和电子浓度之间的关系确定的，并且通过将其乘以测量的迁移率来计算电导率σ已经计算出来了。
图 4a显示了半导体二维电子气的热电转换输出因子的电子浓度依赖性。半导体二维电子气的最大输出因子约为9 mW m-1K-2这就是常见的半导体氮化镓（1 mW m-1K-2及以下），是目前已投入实际应用的最先进的热电转换材料（15至4 mW m-1K-2)相当于2到6倍。获得如此大的输出因子的原因是，在一般半导体中，电子迁移率随着杂质浓度的增加而大大降低，但在半导体二维电子气中，可以保持大的电子迁移率（图 4b）。
(专家补充说明)
在半导体二维电子气中，电子通过静电力聚集在一起，因此需要估计电子聚集区域的厚度（补充图）。在这项研究中，我们估计了电子积累层的厚度，假设每个电压施加到栅极时半导体二维电子气的热电势等于一般半导体热电势的电子浓度依赖性。结果，当施加-5V或更高的电压时，厚度为2nm，与报告的二维电子气厚度相匹配，表明测量是正确进行的。我们还发现，通过施加低于 –5 V 的电压，二维电子气的厚度可以增加至 20 nm。
美国麻省理工学院Dresselhaus教授及其同事于1993年提出的超薄二维电子层表现出大热电势的理论无法应用于这些结果。我们怀疑这是由于电子浓度不足造成的，但细节是未来研究的主题。
（对未来的期望）
这一发现清楚地表明，能够控制电子浓度同时保持高电子迁移率的结构，例如半导体二维电子气，是提高热电材料性能的关键。此次使用的氮化镓半导体二维电子气只能在非常昂贵的单晶衬底上制作，并且导热系数很高，因此无法直接投入实际使用。不过，此次提出的利用半导体二维电子气的高电子迁移率来提高热电转换输出的模型有望为提高即将投入实用的热电材料的性能提供材料设计指南。