(57)【要約】【課題】これまでのペルチェ素子やトムソン素子では、実現できない究極の熱電変換システムが期待されている。【解決手段】本発明は、一つの原子（super-atom：１個の半金属内包フラーレンの中にヘテロ接合を形成する自己組織化機能を有する超原子）として振る舞う元素内包フラーレントムソン素子から構成される。【効果】以上のとおり、本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、金属内包フラーレンにより太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる元素内包フラーレントムソン素子であり、その工業的価値は極めて高い。【選択図】    図１
2014003117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の炭素ゲージ内に金属原子がトラップされた元素内包フラーレントムソン素子おいて、該金属原子がｎ型半導体とｐ型半導体からなることを特徴とする元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項２】
元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の発熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項３】
元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の吸熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の吸熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属内包フラーレンにより太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる一つの原子として振る舞う元素内包フラーレントムソン素子から構成される。元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本願発明は、元素内包フラーレントムソン素子の発熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の発熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子と、元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、コンダクタンスの量子化が報告されている。Ｆｉｇｕｒｅ  1に示すインプレインゲート・トランジスタ（ＩＰＧ  Ｔａｎｓｉｓｔｏｒ）は、電子伝達の場が電子の平均自由行程より小さくなると、電子は不純物による散乱を受けずにその場を透過できるようになる。このとき電子は散乱を受けずに弾道的に振る舞うことから、この状態をバリスティックな状態という。理想的なバリスティックな系では伝導特性は導体の形状により決定され、物質内部における不純物や格子欠陥による散乱などの確率的プロセスにより特性がゆらぐことはなく、電子伝導過程においてサイズの微細化と同時に伝導に関与する電子準位が限定されてくると、コンダクタンスの量子化が起こり、比較的簡単にナノ接合が実現できる。
【０００３】
金属ナノギャップとｎ型半導体のナノ接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）でフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方に発熱が生じる。金属ナノギャップを構成する金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子が金属ナノギャップを構成する金属のプラス電極の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。特許文献１のナノ接合トムソン素子を用いた電子冷却システムは、冷却効率が高い為、移動体車両の壁面や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。また、半導体分野やパーソナルコンピュータの冷却システムに最適である。
【０００４】
非特許文献２の２６４頁の左側上段から９行目以降に、「・・・この巨大な熱電効果が生じる理由として１つ考えられるのが次元性に起因した解釈である。通常の金属のゼーベック係数は、モットの式より状態密度のエネルギーに微分に比例している。つまり、ポイントコンタクトに近い状態を実現するＮｉスピン量子ナノ接合や上記のナノキャップ接合では、次元性は０次元に近く、状態密度は理論的には、発散している。このため、状態密度のエネルギー微分は極めて大きくなる。これにより、巨大な熱起電力が発生すると考えられる。しかしながら、定量的な説明には未だ至っていないため、メカニズム解明は今後の課題といえる。」と記載されているが、この現象をナノ接合トムソン素子とすれば、技術的解釈に何ら矛盾はない。また非特許文献２には、「図６（a）に示したように、環境温度を６Ｋ変化させるだけで起電力が１３．４ｍＶも変化する。ただし電流は〜ｎＡ程度と小さい。パワーに換算すると４．５ｐＷとなる。しかしながら、このスピン量子ナノ接合では集積化が可能であるため、非常に大きな電力を取り出すことができる。たとえば、２０Ｇ／ｃｍ２の面密度で集積化すれば、８９．２ｍＷ／ｃｍ２の電力が得られる。太陽光の平均照射強度はエアーマス（ＡＭ）１．５の１００ｍＷ／ｃｍ２であるため、これに匹敵する値である。」と記載されている。
【０００５】
モットの式で熱起電力の符号は有効質量をフェルミ面で平均した量の符号、すなわちキャリアが電子であるかホールであるかで決まり、電気伝導率σの微分成分σ‘＝ｃｏｎｓｔをみなすことができる。ゼーベック係数Ｓの絶対値は、電気伝導率σに反比例するので、電気伝導率σが０に近くなるとゼーベック係数Ｓの絶対値は、状態密度が理論的に発散することになり、無限大に近づく。したがって、ナノ接合トムソン素子に巨大な熱起電力が発生することになる。特許文献２の量子ナノ接合トムソン素子は、熱の発熱・吸熱に関して太陽光発電に匹敵する。しかしながら、熱の発熱・吸熱に関して閉じられた系とは言い難く、発生エネルギーの散逸は必然的に避けられない。
【０００６】
Ｃ６０は、炭素原子を頂点にもつ５角形１２個と６角形２０個からなる「切頭十二面体」で、直径１０Åのサッカーボール型分子である。Ｃ６０は、ほぼ球形なのでその結晶は最密構造と呼ばれる構造を組む。最密構造は単体金属結晶の場合によく見られるが、この事実は、一つのフラーレンがまさに一つの原子として振る舞うことを示している。フラーレンに特徴的なもう一つの点は、外部から隔離された内部空間を持つことである。そこに他の物質を導入しようとする研究が金属内包フラーレンの発見当初からされてきた。まず、内包された原子からフラーレン殻へ電子が移動するので、金属は正イオンとなり、電子を受け取ったフラーレン殻が負イオンになることである。つまりこの内包金属イオンを原子核になぞらえると、外側を取り囲むフラーレン殻は原子の電子殻に対応し形態的に原子に似た構造を取っている。このような金属内包フラーレンの性質を利用すると、内包元素の核的性質を残したまま物理的・化学的性質を自由に調整できる。
【０００７】
特許文献３には、金属内包フラーレンによるＮａ内包Ｃ６０の収率の注入エネルギー依存性を示す図が報告されている。特許文献３の図１１において、黒丸で示す従来のイオン注入方法によれば、イオン注入の加速エネルギーが７０ｅＶの条件でＮａ内包Ｃ６０の収率が最大となるが、最大でも収率が１％未満にすぎない。また、従来のフラーレンプラズマ反応法では、せいぜい１０％の収率しか得られていない。それに対し、白丸で示すイオン注入方法によれば、Ｎａ内包Ｃ６０の収率は、約５０ｅＶで最大の５０％の収率が得られる。また、加速エネルギーが４０ｅＶから６０ｅＶまでの範囲では、収率が１０％以上となり、従来のフラーレンプラズマ反応法よりも一桁以上高い収率が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４９６５７３６号
【特許文献２】特許第４９７４２６０号
【特許文献３】特許第４７６９０８３号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｔｓｃｈｅｕｓｃｈｎｅｒ,Ｒａｌｆ Ｄ. ａｎｄ Ｗｉｅｃｈ, Ａｎｄｒｅａｓ Ｄ, “Ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｉｎ−ｐａｈｓｅ−ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｓｈｏｗｉｎｇ ｏｎｓｅｔ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｓｉｔｉｏｎ ”, Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ, Ｍａｙ１９−２４, １９９６, ＳａｎｔａＦｅ, Ｎｅｗｅｉｃｏ, ＵＳＡ
【非特許文献２】海住英生、“スピン量子ナノ接合における巨大熱電効果に関する研究“、Ａ９１１１、村田学術振興財団  編、Ｎｏ.２４、ｐｐ.２５６−２６５、２０１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これまでのペルチェ素子やトムソン素子では、実現できない究極の熱電変換システムが期待されている。この問題を解決できる方法として、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ゼーベック係数の差による吸熱および発熱を発現させるようにした熱電変換システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、内包金属としてｎ型半導体とｐ型半導体からなる元素内包フラーレントムソン素子において、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子を作製することである。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の発熱部が接続された冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現させることである。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属としてｎ型半導体とｐ型半導体からなる元素内包フラーレントムソン素子を形成し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、二つの元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ＤＣ電流の流れる方向で、ゼーベック係数の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした熱電変換システムである。本願発明の元素内包フラーレントムソン素子は、半導体技術により大面積に渡って元素内包フラーレントムソン素子を集積形成できることから、太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属としてｎ型半導体とｐ型半導体からなる。この元素内包フラーレントムソン素子にＤＣ電圧を印加し、ＤＣ電圧の電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の発熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の元素内包フラーレントムソン素子である。薄膜の原子レベルの制御と、個々の極めて微小な金属内包フラーレンを再現性よく作製できる方法として、プラズマイオン照射方法と分子手術法がある。ここでは、本発明の元素内包フラーレンは、プラズマイオン照射方法で作製している。フラーレンの原子レベルの制御と、個々の極めて微小な金属（半導体）内包フラーレンを再現性よく作製できる方法で元素内包フラーレン１００を作製した。元素内包フラーレン１００は、籠の中、すなわちフラーレン殻の内部の半導体Ｇｅ原子１０１の二つ結合腕の一つと水素原子１０２が結合した構造をとることで電子が１個不足し、Ｇｅ原子１０１はｐ型半導体となる。Ｇｅ原子１０３には三つの結合腕に三つの水素原子１０４、１０５、１０６が結合している。負の電荷を持つ電子を１個多く持つので電子が余り、自由電子が増えｎ型半導体となる。この元素内包フラーレン１００内でｐｎ接合状態が実現されている。この元素内包フラーレン１００に外部からＤＣ電圧を加えると、元素内包フラーレンは、原子レベルのトムソン効果が生じ、フラーレンの両端で発熱と吸熱が生じる。第一原理分子動力学法によるシミュレーションで元素内包フラーレン１００にＤＣ電圧１０７として５ｍＶを印加した時、ナノ接合トムソン素子に流れる電流は２ｎＡであった。元素内包フラーレン１００の両端部には、温度差１０℃の吸熱部と発熱部が生じている。なお本発明は、元素内包フラーレンとして金属元素であるＳｉ原子にリンやホウ素をイオン打ち込みを行ったｎ型半導体やｐ型半導体、さらには、熱酸化炉内でフラーレン殻の内部に金属原子を内包した酸化物半導体についても幅広く適用できる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、本発明の他の元素内包フラーレントムソン素子で、二つのフラーレン殻を接続した冷却システムである。元素内包フラーレン２０１は、フラーレン最外殻＋フラーレン内殻に１個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｐ型半導体）＋３個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｎ型半導体）＋フラーレン最外殻からなる元素内包フラーレントムソン素子である。この元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２にＤＣ電圧２０３、２０４を印加すると、元素内包フラーレン２０１は吸熱部、元素内包フラーレン２０２は発熱部となる。元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２は原子境界面を有する。元素内包フラーレン２０１の最殻フラーレンと３個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｎ型半導体）と最殻フラーレンからなる元素内包フラーレントムソン素子２０１と元素内包フラーレン２０２にＤＣ電圧２０３、２０４を各々５ｍＶ印加すると、最殻フラーレンは発熱部、元素内包フラーレン２０２は吸熱部が生じる。２０℃の常温状態で二つの元素内包フラーレントムソン素子の表面温度は８℃になっており、冷却システムとして動作していることがわかる。また、ｎ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部にｐ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接触した場合、発熱システムとして動作する。元素内包フラーレントムソン素子の動作は、第一原理分子動力学法によるシミュレーションで確認している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図２】本発明の他の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図３】従来の金属内包フラーレンのイオン注入法である。
【符号の説明】
【００１７】
１００            Ｃ６０フラーレン
１０１            Ｇｅ原子
１０２            Ｈ原子
１０３            Ｇｅ原子
１０４            Ｈ原子
１０５            Ｈ原子
１０６            Ｈ原子
１０７            ＤＣ電源
２０１            元素内包Ｇｅフラーレン
２０２            元素内包フラーレン
２０３            ＤＣ電源
２０４            ＤＣ電源
【図１】
2014003117.tif 000003
【図２】
2014003117.tif 000004
【図３】
2014003117.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月14日(2012.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の炭素ケージ内に半金属原子がトラップされた元素内包フラーレントムソン素子おいて、該半金属原子が電子過剰半金属原子と電子欠損半金属原子からなる元素内包フラーレントムソン素子に直流電圧が印加されてなることを特徴とする元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項２】
元素内包フラーレントムソン素子の電子過剰半金属原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子の電子欠損半金属原子の発熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項３】
元素内包フラーレントムソン素子の電子欠損半金属原子の吸熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子の電子過剰半金属原子の吸熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属内包フラーレンにより太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる一つの原子（super-atom：１個の半金属内包フラーレンの中にヘテロ接合を形成する自己組織化機能を有する超原子）として振る舞う元素内包フラーレントムソン素子から構成される。元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本願発明は、元素内包フラーレントムソン素子の発熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の発熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子と、元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、コンダクタンスの量子化が報告されている。Ｆｉｇｕｒｅ  1に示すインプレインゲート・トランジスタ（ＩＰＧ  Ｔａｎｓｉｓｔｏｒ）は、電子伝達の場が電子の平均自由行程より小さくなると、電子は不純物による散乱を受けずにその場を透過できるようになる。このとき電子は散乱を受けずに弾道的に振る舞うことから、この状態をバリスティックな状態という。理想的なバリスティックな系では伝導特性は導体の形状により決定され、物質内部における不純物や格子欠陥による散乱などの確率的プロセスにより特性がゆらぐことはなく、電子伝導過程においてサイズの微細化と同時に伝導に関与する電子準位が限定されてくると、コンダクタンスの量子化が起こり、比較的簡単にナノ接合が実現できる。
【０００３】
金属ナノギャップとｎ型半導体のナノ接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）でフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方に発熱が生じる。金属ナノギャップを構成する金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子が金属ナノギャップを構成する金属のプラス電極の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。特許文献１のナノ接合トムソン素子を用いた電子冷却システムは、冷却効率が高い為、移動体車両の壁面や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。また、半導体分野やパーソナルコンピュータの冷却システムに最適である。
【０００４】
非特許文献２の２６４頁の左側上段から９行目以降に、「・・・この巨大な熱電効果が生じる理由として１つ考えられるのが次元性に起因した解釈である。通常の金属のゼーベック係数は、モットの式より状態密度のエネルギーに微分に比例している。つまり、ポイントコンタクトに近い状態を実現するＮｉスピン量子ナノ接合や上記のナノキャップ接合では、次元性は０次元に近く、状態密度は理論的には、発散している。このため、状態密度のエネルギー微分は極めて大きくなる。これにより、巨大な熱起電力が発生すると考えられる。しかしながら、定量的な説明には未だ至っていないため、メカニズム解明は今後の課題といえる。」と記載されているが、この現象をナノ接合トムソン素子とすれば、技術的解釈に何ら矛盾はない。また非特許文献２には、「図６（a）に示したように、環境温度を６Ｋ変化させるだけで起電力が１３．４ｍＶも変化する。ただし電流は〜ｎＡ程度と小さい。パワーに換算すると４．５ｐＷとなる。しかしながら、このスピン量子ナノ接合では集積化が可能であるため、非常に大きな電力を取り出すことができる。たとえば、２０Ｇ／ｃｍ２の面密度で集積化すれば、８９．２ｍＷ／ｃｍ２の電力が得られる。太陽光の平均照射強度はエアーマス（ＡＭ）１．５の１００ｍＷ／ｃｍ２であるため、これに匹敵する値である。」と記載されている。
【０００５】
モットの式で熱起電力の符号は有効質量をフェルミ面で平均した量の符号、すなわちキャリアが電子であるかホールであるかで決まり、電気伝導率σの微分成分σ‘＝ｃｏｎｓｔをみなすことができる。ゼーベック係数Ｓの絶対値は、電気伝導率σに反比例するので、電気伝導率σが０に近くなるとゼーベック係数Ｓの絶対値は、状態密度が理論的に発散することになり、無限大に近づく。したがって、ナノ接合トムソン素子に巨大な熱起電力が発生することになる。特許文献２の量子ナノ接合トムソン素子は、熱の発熱・吸熱に関して太陽光発電に匹敵する。しかしながら、熱の発熱・吸熱に関して閉じられた系とは言い難く、発生エネルギーの散逸は必然的に避けられない。
【０００６】
Ｃ６０は、炭素原子を頂点にもつ５角形１２個と６角形２０個からなる「切頭十二面体」で、直径１０Åのサッカーボール型分子である。Ｃ６０は、ほぼ球形なのでその結晶は最密構造と呼ばれる構造を組む。最密構造は単体金属結晶の場合によく見られるが、この事実は、一つのフラーレンがまさに一つの原子（super-atom：１個の半金属内包フラーレンの中にヘテロ接合を形成した超原子）として振る舞うことを示している。フラーレンに特徴的なもう一つの点は、外部から隔離された内部空間を持つことである。そこに他の物質を導入しようとする研究が金属内包フラーレンの発見当初からされてきた。まず、内包された原子からフラーレン殻へ電子が移動するので、金属は正イオンとなり、電子を受け取ったフラーレン殻が負イオンになることである。つまりこの内包金属イオンを原子核になぞらえると、外側を取り囲むフラーレン殻は原子の電子殻に対応し形態的に原子に似た構造を取っている。このような金属内包フラーレンの性質を利用すると、内包元素の核的性質を残したまま物理的・化学的性質を自由に調整できる。
【０００７】
特許文献３には、金属内包フラーレンによるＮａ内包Ｃ６０の収率の注入エネルギー依存性を示す図が報告されている。特許文献３の図１１において、黒丸で示す従来のイオン注入方法によれば、イオン注入の加速エネルギーが７０ｅＶの条件でＮａ内包Ｃ６０の収率が最大となるが、最大でも収率が１％未満にすぎない。また、従来のフラーレンプラズマ反応法では、せいぜい１０％の収率しか得られていない。それに対し、白丸で示すイオン注入方法によれば、Ｎａ内包Ｃ６０の収率は、約５０ｅＶで最大の５０％の収率が得られる。また、加速エネルギーが４０ｅＶから６０ｅＶまでの範囲では、収率が１０％以上となり、従来のフラーレンプラズマ反応法よりも一桁以上高い収率が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４９６５７３６号
【特許文献２】特許第４９７４２６０号
【特許文献３】特許第４７６９０８３号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｔｓｃｈｅｕｓｃｈｎｅｒ,Ｒａｌｆ Ｄ. ａｎｄ Ｗｉｅｃｈ, Ａｎｄｒｅａｓ Ｄ, “Ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｉｎ−ｐａｈｓｅ−ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｓｈｏｗｉｎｇ ｏｎｓｅｔ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｓｉｔｉｏｎ ”, Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ, Ｍａｙ１９−２４, １９９６, ＳａｎｔａＦｅ, Ｎｅｗｅｉｃｏ, ＵＳＡ
【非特許文献２】海住英生、“スピン量子ナノ接合における巨大熱電効果に関する研究“、Ａ９１１１、村田学術振興財団  編、Ｎｏ.２４、ｐｐ.２５６−２６５、２０１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これまでのペルチェ素子やトムソン素子では実現できない、一つの原子（super-atom：１個の半金属内包フラーレンの中にヘテロ接合を形成する自己組織化機能を有する超原子）による究極の熱電変換システムが期待されている。この問題を解決できる方法として、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ゼーベック係数の差による吸熱および発熱を発現させるようにした熱電変換システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、内包金属として電子過剰半金属原子と電子欠損半金属原子からなる元素内包フラーレントムソン素子において、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子を作製することである。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子の電子過剰半金属原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子の電子欠損半金属原子の発熱部が接続された冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現させることである。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属として電子過剰半金属原子と電子欠損半金属原子からなる元素内包フラーレントムソン素子を形成し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、二つの元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ＤＣ電流の流れる方向で、ゼーベック係数の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした熱電変換システムである。本願発明の元素内包フラーレントムソン素子は、半導体技術により大面積に渡って元素内包フラーレントムソン素子を集積形成できることから、太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属として電子過剰半金属原子と電子欠損半金属原子からなる。この元素内包フラーレントムソン素子にＤＣ電圧を印加し、ＤＣ電圧の電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子の電子過剰半金属原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子の電子欠損半金属原子の発熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の元素内包フラーレントムソン素子である。薄膜の原子レベルの制御と、個々の極めて微小な金属内包フラーレンを再現性よく作製できる方法として、プラズマイオン照射方法と分子手術法がある。ここでは、本発明の元素内包フラーレンは、プラズマイオン照射方法で作製している。フラーレンの原子レベルの制御と、個々の極めて微小な半金属（半導体）内包フラーレンを再現性よく作製できる方法で元素内包フラーレン１００を作製した。元素内包フラーレン１００は、籠の中、すなわちフラーレン殻の内部の半導体Ｇｅ原子１０１の四つ結合腕に水素原子１０２、１０３、１０４、１０５が結合し、その一つの水素原子１０５と水素原子１０６が結合した構造をとることで電子が１個過剰となり、Ｇｅ原子１０１は電子過剰半金属原子となる。Ｇｅ原子１０７には三つの結合腕に三つの水素原子１０８、１０９、１１０が結合している。負の電荷を持つ電子が１個不足するので、電子が少ない電子欠損半金属原子となる。この元素内包フラーレン１００内でｐｎ接合状態が実現されている。この元素内包フラーレン１００に外部からＤＣ電圧を加えると、元素内包フラーレンは、原子レベルのトムソン効果が生じ、フラーレンの両端で発熱と吸熱が生じる。第一原理分子動力学法によるシミュレーションで元素内包フラーレン１００の半金属内包フラーレントムソン素子に１０ｎｍ以下離してナノプローブでＤＣ電源１１１として５ｍＶを印加した時、ナノ接合トムソン素子に流れる電流は２ｎＡであった。元素内包フラーレン１００の両端部には、温度差１０℃の吸熱部と発熱部が生じている。なお本発明は、元素内包フラーレンとして半金属元素であるＳｉ原子にリンやホウ素をイオン打ち込みを行った電子過剰半金属原子や電子欠損半金属原子、さらには、熱酸化炉内でフラーレン殻の内部に半金属原子を内包した酸化物半金属元素についても幅広く適用できる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、本発明の他の元素内包フラーレントムソン素子で、二つのフラーレン殻を接続した冷却システムである。元素内包フラーレン２０１は、フラーレン最外殻＋フラーレン内殻に四個の水素原子が結合したＧｅ原子（電子過剰半金属原子）＋三個の水素原子が結合したＧｅ原子（電子欠損半金属原子）＋フラーレン最外殻からなる元素内包フラーレントムソン素子である。この元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２の半金属内包フラーレントムソン素子に１０ｎｍ以下離してナノプローブでＤＣ電源２０３、２０４を印加すると、元素内包フラーレン２０１の吸熱部は２０５、発熱部は２０６、元素内包フラーレン２０２は発熱部２０７、吸熱部は２０８となる。元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２は原子境界面を有する。元素内包フラーレン２０１の最殻フラーレンと、四個の水素原子が結合したＧｅ原子（電子過剰半金属原子）の一つの水素原子に水素原子を結合させたＨ−Ｈ結合と、Ｇｅ原子（電子欠損半金属原子）には三つの結合腕に三つの水素原子が結合して、この元素内包フラーレン内でｐｎ接合状態が実現される。元素内包フラーレントムソン素子２０１と元素内包フラーレントムソン素子２０２にＤＣ電圧２０３、２０４を各々５ｍＶ印加すると、２０℃の常温状態で二つの元素内包フラーレントムソン素子の表面温度は８℃になっており、冷却システムとして動作していることがわかる。また、電子過剰半金属原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に電子欠損半金属原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接触した場合、発熱システムとして動作する。元素内包フラーレントムソン素子の動作は、第一原理分子動力学法によるシミュレーションで確認している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図２】本発明の他の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図３】従来の金属内包フラーレンのイオン注入法である。
【符号の説明】
【００１７】
１００            Ｃ６０フラーレン
１０１            Ｇｅ原子
１０２            Ｈ原子
１０３            Ｈ原子
１０４            Ｈ原子
１０５            Ｈ原子
１０６            Ｈ原子
１０７            Ｇｅ原子
１０８            Ｈ原子
１０９            Ｈ原子
１１０            Ｈ原子
１１１            ＤＣ電源
２０１            元素内包Ｇｅフラーレン
２０２            元素内包Ｇｅフラーレン
２０３            ＤＣ電源
２０４            ＤＣ電源
２０５ 吸熱部
２０６ 発熱部
２０７ 発熱部
２０８ 吸熱部
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014003117.tif 000006
【図２】
2014003117.tif 000007
【図３】
2014003117.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月26日(2012.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の炭素ゲージ内に金属原子がトラップされた元素内包フラーレントムソン素子おいて、該金属原子がｎ型半導体原子とｐ型半導体原子からなることを特徴とする元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項２】
元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体原子の発熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項３】
元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体原子の吸熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体原子の吸熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属内包フラーレンにより太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる一つの原子として振る舞う元素内包フラーレントムソン素子から構成される。元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本願発明は、元素内包フラーレントムソン素子の発熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の発熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子と、元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、コンダクタンスの量子化が報告されている。Ｆｉｇｕｒｅ  1に示すインプレインゲート・トランジスタ（ＩＰＧ  Ｔａｎｓｉｓｔｏｒ）は、電子伝達の場が電子の平均自由行程より小さくなると、電子は不純物による散乱を受けずにその場を透過できるようになる。このとき電子は散乱を受けずに弾道的に振る舞うことから、この状態をバリスティックな状態という。理想的なバリスティックな系では伝導特性は導体の形状により決定され、物質内部における不純物や格子欠陥による散乱などの確率的プロセスにより特性がゆらぐことはなく、電子伝導過程においてサイズの微細化と同時に伝導に関与する電子準位が限定されてくると、コンダクタンスの量子化が起こり、比較的簡単にナノ接合が実現できる。
【０００３】
金属ナノギャップとｎ型半導体のナノ接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）でフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方に発熱が生じる。金属ナノギャップを構成する金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子が金属ナノギャップを構成する金属のプラス電極の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。特許文献１のナノ接合トムソン素子を用いた電子冷却システムは、冷却効率が高い為、移動体車両の壁面や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。また、半導体分野やパーソナルコンピュータの冷却システムに最適である。
【０００４】
非特許文献２の２６４頁の左側上段から９行目以降に、「・・・この巨大な熱電効果が生じる理由として１つ考えられるのが次元性に起因した解釈である。通常の金属のゼーベック係数は、モットの式より状態密度のエネルギーに微分に比例している。つまり、ポイントコンタクトに近い状態を実現するＮｉスピン量子ナノ接合や上記のナノキャップ接合では、次元性は０次元に近く、状態密度は理論的には、発散している。このため、状態密度のエネルギー微分は極めて大きくなる。これにより、巨大な熱起電力が発生すると考えられる。しかしながら、定量的な説明には未だ至っていないため、メカニズム解明は今後の課題といえる。」と記載されているが、この現象をナノ接合トムソン素子とすれば、技術的解釈に何ら矛盾はない。また非特許文献２には、「図６（a）に示したように、環境温度を６Ｋ変化させるだけで起電力が１３．４ｍＶも変化する。ただし電流は〜ｎＡ程度と小さい。パワーに換算すると４．５ｐＷとなる。しかしながら、このスピン量子ナノ接合では集積化が可能であるため、非常に大きな電力を取り出すことができる。たとえば、２０Ｇ／ｃｍ２の面密度で集積化すれば、８９．２ｍＷ／ｃｍ２の電力が得られる。太陽光の平均照射強度はエアーマス（ＡＭ）１．５の１００ｍＷ／ｃｍ２であるため、これに匹敵する値である。」と記載されている。
【０００５】
モットの式で熱起電力の符号は有効質量をフェルミ面で平均した量の符号、すなわちキャリアが電子であるかホールであるかで決まり、電気伝導率σの微分成分σ‘＝ｃｏｎｓｔをみなすことができる。ゼーベック係数Ｓの絶対値は、電気伝導率σに反比例するので、電気伝導率σが０に近くなるとゼーベック係数Ｓの絶対値は、状態密度が理論的に発散することになり、無限大に近づく。したがって、ナノ接合トムソン素子に巨大な熱起電力が発生することになる。特許文献２の量子ナノ接合トムソン素子は、熱の発熱・吸熱に関して太陽光発電に匹敵する。しかしながら、熱の発熱・吸熱に関して閉じられた系とは言い難く、発生エネルギーの散逸は必然的に避けられない。
【０００６】
Ｃ６０は、炭素原子を頂点にもつ５角形１２個と６角形２０個からなる「切頭十二面体」で、直径１０Åのサッカーボール型分子である。Ｃ６０は、ほぼ球形なのでその結晶は最密構造と呼ばれる構造を組む。最密構造は単体金属結晶の場合によく見られるが、この事実は、一つのフラーレンがまさに一つの原子として振る舞うことを示している。フラーレンに特徴的なもう一つの点は、外部から隔離された内部空間を持つことである。そこに他の物質を導入しようとする研究が金属内包フラーレンの発見当初からされてきた。まず、内包された原子からフラーレン殻へ電子が移動するので、金属は正イオンとなり、電子を受け取ったフラーレン殻が負イオンになることである。つまりこの内包金属イオンを原子核になぞらえると、外側を取り囲むフラーレン殻は原子の電子殻に対応し形態的に原子に似た構造を取っている。このような金属内包フラーレンの性質を利用すると、内包元素の核的性質を残したまま物理的・化学的性質を自由に調整できる。
【０００７】
特許文献３には、金属内包フラーレンによるＮａ内包Ｃ６０の収率の注入エネルギー依存性を示す図が報告されている。特許文献３の図１１において、黒丸で示す従来のイオン注入方法によれば、イオン注入の加速エネルギーが７０ｅＶの条件でＮａ内包Ｃ６０の収率が最大となるが、最大でも収率が１％未満にすぎない。また、従来のフラーレンプラズマ反応法では、せいぜい１０％の収率しか得られていない。それに対し、白丸で示すイオン注入方法によれば、Ｎａ内包Ｃ６０の収率は、約５０ｅＶで最大の５０％の収率が得られる。また、加速エネルギーが４０ｅＶから６０ｅＶまでの範囲では、収率が１０％以上となり、従来のフラーレンプラズマ反応法よりも一桁以上高い収率が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４９６５７３６号
【特許文献２】特許第４９７４２６０号
【特許文献３】特許第４７６９０８３号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｔｓｃｈｅｕｓｃｈｎｅｒ,Ｒａｌｆ Ｄ. ａｎｄ Ｗｉｅｃｈ, Ａｎｄｒｅａｓ Ｄ, “Ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｉｎ−ｐａｈｓｅ−ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｓｈｏｗｉｎｇ ｏｎｓｅｔ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｓｉｔｉｏｎ ”, Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ, Ｍａｙ１９−２４, １９９６, ＳａｎｔａＦｅ, Ｎｅｗｅｉｃｏ, ＵＳＡ
【非特許文献２】海住英生、“スピン量子ナノ接合における巨大熱電効果に関する研究“、Ａ９１１１、村田学術振興財団  編、Ｎｏ.２４、ｐｐ.２５６−２６５、２０１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これまでのペルチェ素子やトムソン素子では、実現できない究極の熱電変換システムが期待されている。この問題を解決できる方法として、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ゼーベック係数の差による吸熱および発熱を発現させるようにした熱電変換システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、内包金属としてｎ型半導体原子とｐ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子において、元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子を作製することである。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体原子の発熱部が接続された冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現させることである。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属としてｎ型半導体原子とｐ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子を形成し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、二つの元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ＤＣ電流の流れる方向で、ゼーベック係数の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした熱電変換システムである。本願発明の元素内包フラーレントムソン素子は、半導体技術により大面積に渡って元素内包フラーレントムソン素子を集積形成できることから、太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属としてｎ型半導体原子とｐ型半導体原子からなる。この元素内包フラーレントムソン素子にＤＣ電圧を印加し、ＤＣ電圧の電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体原子の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体原子の発熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接続された元素内包フラーレントムソン素子である。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の元素内包フラーレントムソン素子である。薄膜の原子レベルの制御と、個々の極めて微小な金属内包フラーレンを再現性よく作製できる方法として、プラズマイオン照射方法と分子手術法がある。ここでは、本発明の元素内包フラーレンは、プラズマイオン照射方法で作製している。フラーレンの原子レベルの制御と、個々の極めて微小な金属（半導体）内包フラーレンを再現性よく作製できる方法で元素内包フラーレン１００を作製した。元素内包フラーレン１００は、籠の中、すなわちフラーレン殻の内部の半導体Ｇｅ原子１０１の二つ結合腕の一つと水素原子１０２が結合した構造をとることで電子が１個不足し、Ｇｅ原子１０１はｐ型半導体原子となる。Ｇｅ原子１０３には三つの結合腕に三つの水素原子１０４、１０５、１０６が結合している。負の電荷を持つ電子を１個多く持つので電子が余り、自由電子が増えｎ型半導体原子となる。この元素内包フラーレン１００内でｐｎ接合状態が実現されている。この元素内包フラーレン１００に外部からＤＣ電圧を加えると、元素内包フラーレンは、原子レベルのトムソン効果が生じ、フラーレンの両端で発熱と吸熱が生じる。第一原理分子動力学法によるシミュレーションで元素内包フラーレン１００にＤＣ電圧１０７として５ｍＶを印加した時、ナノ接合トムソン素子に流れる電流は２ｎＡであった。元素内包フラーレン１００の両端部には、温度差１０℃の吸熱部と発熱部が生じている。なお本発明は、元素内包フラーレンとして金属元素であるＳｉ原子にリンやホウ素をイオン打ち込みを行ったｎ型半導体原子やｐ型半導体原子、さらには、熱酸化炉内でフラーレン殻の内部に金属原子を内包した酸化物半導体原子についても幅広く適用できる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、本発明の他の元素内包フラーレントムソン素子で、二つのフラーレン殻を接続した冷却システムである。元素内包フラーレン２０１は、フラーレン最外殻＋フラーレン内殻に１個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｐ型半導体）＋３個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｎ型半導体）＋フラーレン最外殻からなる元素内包フラーレントムソン素子である。この元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２にＤＣ電圧２０３、２０４を印加すると、元素内包フラーレン２０１は吸熱部、元素内包フラーレン２０２は発熱部となる。元素内包フラーレン２０１と元素内包フラーレン２０２は原子境界面を有する。元素内包フラーレン２０１の最殻フラーレンと３個の水素原子が結合したＧｅ原子（ｎ型半導体）と最殻フラーレンからなる元素内包フラーレントムソン素子２０１と元素内包フラーレン２０２にＤＣ電圧２０３、２０４を各々５ｍＶ印加すると、最殻フラーレンは発熱部、元素内包フラーレン２０２は吸熱部が生じる。２０℃の常温状態で二つの元素内包フラーレントムソン素子の表面温度は８℃になっており、冷却システムとして動作していることがわかる。また、ｎ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部にｐ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部が接触した場合、発熱システムとして動作する。元素内包フラーレントムソン素子の動作は、第一原理分子動力学法によるシミュレーションで確認している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図２】本発明の他の元素内包フラーレンによる熱電変換システムである。
【図３】従来の金属内包フラーレンのイオン注入法である。
【符号の説明】
【００１７】
１００            Ｃ７８フラーレン
１０１            Ｇｅ原子
１０２            Ｈ原子
１０３            Ｇｅ原子
１０４            Ｈ原子
１０５            Ｈ原子
１０６            Ｈ原子
１０７            ＤＣ電源
２０１            元素内包Ｇｅフラーレン
２０２            元素内包フラーレン
２０３            ＤＣ電源
２０４            ＤＣ電源
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014003117.tif 000009
【図２】
2014003117.tif 000010
【図３】
2014003117.tif 000011
【手続補正４】
【補正対象書類名】要約書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【要約】
【要約】
【課題】
これまでのペルチェ素子やトムソン素子では、実現できない究極の熱電変換システムが期待されている。
【解決手段】
本発明は、金属ナノギャップに半導体を形成してなる元素内包フラーレントムソン素子において、吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子を実現できることである。
【効果】
以上のとおり、本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、金属ナノギャップに半導体を形成してなる元素内包フラーレントムソン素子であり、その工業的価値は極めて高い。
【選択図】    図１
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月30日(2013.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
中空の炭素ケージ内に金属原子がトラップされた元素内包フラーレントムソン素子おいて、該金属原子がｎ型半導体とｐ型半導体からなる元素内包フラーレントムソン素子に直流電圧が印加されてなることを特徴とする元素内包フラーレントムソン素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は、内包金属としてｎ型半導体とｐ型半導体からなる元素内包フラーレントムソン素子において、元素内包フラーレントムソン素子に外部から不均一温度分布として、加熱又は冷却をフラーレンに与え電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子を作製することである。また本発明は、元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の発熱部が接続された冷却機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現させることである。また逆に元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部に他の元素内包フラーレントムソン素子の吸熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する元素内包フラーレントムソン素子を実現できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
以上説明したように本発明の元素内包フラーレントムソン素子は、内包金属としてｎ型半導体原子とｐ型半導体原子からなる元素内包フラーレントムソン素子を形成し、電流方向でゼーベック係数の差により吸熱あるいは発熱を発現させることができる元素内包フラーレントムソン素子である。また本発明は、二つの元素内包フラーレントムソン素子に電流を流し、ＤＣ電流の流れる方向で、ゼーベック係数の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした熱電変換システムである。本願発明の元素内包フラーレントムソン素子は、半導体技術により大面積に渡って元素内包フラーレントムソン素子を集積形成できることから、太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月20日(2013.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の炭素ケージ内に金属原子がトラップされた元素内包フラーレントムソン素子おいて、該金属原子がｎ型半導体とｐ型半導体からなる元素内包フラーレントムソン素子に直流電圧が印加されてなることを特徴とする元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項２】
元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の発熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の発熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。
【請求項３】
元素内包フラーレントムソン素子のｐ型半導体の吸熱部にもう一つの元素内包フラーレントムソン素子のｎ型半導体の吸熱部が接続されたことを特徴とする請求項１記載の元素内包フラーレントムソン素子。