2- 2.

2 -2.

主 要な研 究 成 果 - 2 2

主要な研究成果 -22

エネルギーハーべスティングのための熱電特性評価法を開発
IoTデバイス用自立型電源の開発と社会実装に貢献

共通・分野横断背景
センサをはじめとする小型IoTデバイス用の電源は、配線がなく、かつ、自立型であることが望まれており、その電源の一つとして熱電素子を活用することが考えられます。熱電素子を構成する熱電素子
熱と電気とを関連づける現象を利用した素子の総称 。温 度 差によって起 電力を発生する現象を利用した素子などがある。

材料の特性（発電量）は、半導体中の電気伝導を担う電子およびホールの密度（キャリア密度）に依存します。熱電素子の新規材料の探索には、キャリア密度をパラメータとして連続的に変化させて、発電量が大きくなる条件を見つける必要があります。そのためには化学組成が異なる多くの試料を用いる必要があり、これまで、この点が熱電材料の開発にあたっての障壁となっていました。そこで、
主 要な研 究 成 果

主 要な研 究 成 果

当所では電界効果を用いて熱電材料の特性を効率的に評価する方法の開発を進めています。

成果の概要◇電界効果を利用した熱電特性評価法を開発
熱電材料の特性評価に必要となる材料中のキャリア密度を連続的に変化させる方法として、イオン液体を用いた熱電効果の制御に成功しました。具体的には、酸化タングステン薄膜を半導体試方式のトランジスタ。
ゲート絶縁体電界効果型トランジスタ
における半導体材料と金属電極の間の絶縁層。
ゲート電圧
ゲート絶縁体を通して半導 体 材 料 に 印 加 する電圧。
この電圧により半導体材料中のキャリア密度をまで連続的に変化させることに成功しました。

小野 新平（おの しんぺい）

清水 直（しみず すなお）エネルギートランスフォーメーション研究本部

エネルギートランスフォーメーション研究本部

材料科学研究部門

材料科学研究部門◇熱電特性の評価を通じて熱電出力因子を最適化
電界効果型トランジスタ、ヒーター、温度計を同一基板上に配置し（図1）、温度とゲート電圧（キャ高性能な新規熱電材料の探索と熱電素子の開発を進め、脱炭素社会の実現に貢献します。

リア密度）を変化させながら熱電特性を評価しました。その結果、一つの試料を測定するだけで、酸化タングステン薄膜の単位温度当たりの発電量（熱電出力因子）が最適となる温度とゲート電圧の295組み合わせが特定できることを示しました。化学組成が異なる多くの試料を用いることが不要とな

250

るため、熱電材料の評価に必要な時間が大幅に短縮され、新規材料の探索を加速させることができ200ます。

制御することができる。
ヒーター

温度計 1
温度計 2
酸化タングステン被膜における温度およびゲート電圧と単位温度当たりの発電量（熱電出力因子）との関係

温度（μWK-2cm-1）

によって電流を制御する料とする電界効果型トランジスタを作製し（図1）、静電容量の大きいイオン液体をゲート絶縁体として使用することにより、酸化タングステン薄膜に多数の電子を注入して絶縁体状態から金属状態

温度（K）

半導体内部で生じる電界ゲート電圧が3Vの時に発電量が最大になることがわかります。

1500.121000.08熱電出力因子
酸化タングステン50

100.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

図1

ゲート電圧

酸化タングステン薄膜の電界効果型トランジスタ

イオン液体を介してゲート電圧を印加することにより、酸化タングステン薄膜のキャリア密度を制御します。ヒーターと温度計を用いてトランジスタ構造下で熱電特性を評価します。

電力中央研究所

Annual Report 2022

0

成果の活用先・事例
熱電材料の特性評価が効率化されることで、高性能な熱電材料の開発が進み、それらを活用するIoTデバイス用自立型電源の開発と社会実装が加速します。

参考640.04

ゲート電圧
（V）

イオン液体
酸化タングステン薄膜

0.16

Shimizu et al., Sci. Rep. Vol. 12, 7202 (2022)

電力中央研究所

Annual Report 2022

65

共通・分野横断

共通・分野横断電界効果型トランジスタ2- 2.

2 -2.

主 要な研 究 成 果 - 2 2

主要な研究成果 -22

エネルギーハーべスティングのための熱電特性評価法を開発
IoTデバイス用自立型電源の開発と社会実装に貢献

共通・分野横断背景
センサをはじめとする小型IoTデバイス用の電源は、配線がなく、かつ、自立型であることが望まれており、その電源の一つとして熱電素子を活用することが考えられます。熱電素子を構成する熱電素子
熱と電気とを関連づける現象を利用した素子の総称 。温 度 差によって起 電力を発生する現象を利用した素子などがある。

材料の特性（発電量）は、半導体中の電気伝導を担う電子およびホールの密度（キャリア密度）に依存します。熱電素子の新規材料の探索には、キャリア密度をパラメータとして連続的に変化させて、発電量が大きくなる条件を見つける必要があります。そのためには化学組成が異なる多くの試料を用いる必要があり、これまで、この点が熱電材料の開発にあたっての障壁となっていました。そこで、
主 要な研 究 成 果

主 要な研 究 成 果

当所では電界効果を用いて熱電材料の特性を効率的に評価する方法の開発を進めています。

成果の概要◇電界効果を利用した熱電特性評価法を開発
熱電材料の特性評価に必要となる材料中のキャリア密度を連続的に変化させる方法として、イオン液体を用いた熱電効果の制御に成功しました。具体的には、酸化タングステン薄膜を半導体試方式のトランジスタ。
ゲート絶縁体電界効果型トランジスタにおける半導体材料と金属電極の間の絶縁層。
ゲート電圧
ゲート絶縁体を通して半導 体 材 料 に 印 加 する電圧。
この電圧により半導体材料中のキャリア密度をまで連続的に変化させることに成功しました。

小野 新平（おの しんぺい）

清水 直（しみず すなお）エネルギートランスフォーメーション研究本部

エネルギートランスフォーメーション研究本部

材料科学研究部門

材料科学研究部門◇熱電特性の評価を通じて熱電出力因子を最適化
電界効果型トランジスタ、ヒーター、温度計を同一基板上に配置し（図1）、温度とゲート電圧（キャ高性能な新規熱電材料の探索と熱電素子の開発を進め、脱炭素社会の実現に貢献します。

リア密度）を変化させながら熱電特性を評価しました。その結果、一つの試料を測定するだけで、酸化タングステン薄膜の単位温度当たりの発電量（熱電出力因子）が最適となる温度とゲート電圧の295

組み合わせが特定できることを示しました。化学組成が異なる多くの試料を用いることが不要とな250

るため、熱電材料の評価に必要な時間が大幅に短縮され、新規材料の探索を加速させることができ200ます。

制御することができる。
ヒーター

温度計 1
温度計 2
酸化タングステン薄膜における温度およびゲート電圧と単位温度当たりの発電量（熱電出力因子）との関係

温度（μWK-2cm-1）

によって電流を制御する料とする電界効果型トランジスタを作製し（図1）、静電容量の大きいイオン液体をゲート絶縁体として使用することにより、酸化タングステン薄膜に多数の電子を注入して絶縁体状態から金属状態

温度（K）

半導体内部で生じる電界ゲート電圧が3Vの時に発電量が最大になることがわかります。

1500.121000.08熱電出力因子
酸化タングステン50

100.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

図1

ゲート電圧

酸化タングステン薄膜の電界効果型トランジスタ

イオン液体を介してゲート電圧を印加することにより、酸化タングステン薄膜のキャリア密度を制御します。ヒーターと温度計を用いてトランジスタ構造下で熱電特性を評価します。

電力中央研究所

Annual Report 2022

0

成果の活用先・事例
熱電材料の特性評価が効率化されることで、高性能な熱電材料の開発が進み、それらを活用するIoTデバイス用自立型電源の開発と社会実装が加速します。

参考640.04

ゲート電圧（V）

イオン液体
酸化タングステン薄膜

0.16

Shimizu et al., Sci. Rep. Vol. 12, 7202 (2022)

電力中央研究所

Annual Report 2022

65

共通・分野横断

共通・分野横断電界効果型トランジスタ