(57)【要約】【課題】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。【解決手段】炭素元素の複数の線状構造体２０と、線状構造体２０に内包され、線状構造体２０の熱伝導率を低下する熱伝導率低下物質２２とを有している。これにより、線状構造体２０が有する高い電気伝導率を維持しつつ、線状構造体２０の熱伝導率を低下することができ、性能指数ＺＴが高い高効率の熱電変換材料が得られる。【選択図】図２
2010147379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換材料及び熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２００４−０８７７１４号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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）。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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））。
【００２７】
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。
【００２８】
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）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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））。
【００３１】
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。
【００３２】
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））。
【００３３】
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。
【００３４】
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））。
【００３５】
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））。
【００３６】
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。
【００３７】
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））。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
［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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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））。
【００４９】
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。
【００５０】
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））。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
［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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
半導体材料としては、ＺｎＯ，ＳｒＴｉＯ３，ＩｎＧａＺｎＯ４，ＡｌｘＺｎ１−ｘＯｙ，ＳｒＴｉ１−ｘＮｂｘＯｙ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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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））。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
［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。
【００７１】
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。
【００７２】
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，ＳｒＴｉＯ３，ＩｎＧａＺｎＯ４，ＡｌｘＺｎ１−ｘＯｙ，ＳｒＴｉ１−ｘＮｂｘＯｙ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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
【００７９】
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
【図１】
2010147379.tif 000003
【図２】
2010147379.tif 000004
【図３】
2010147379.tif 000005
【図４】
2010147379.tif 000006
【図５】
2010147379.tif 000007
【図６】
2010147379.tif 000008
【図７】
2010147379.tif 000009
【図８】
2010147379.tif 000010
【図９】
2010147379.tif 000011