[論文レビュー] Facile and time-resolved chemical growth of nanoporous CaxCoO2 thin films for flexible and thermoelectric applications

Tridib Kumar Sinha, Jinho Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 61被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、水系前駆体インクに内因的に生成されたCa²⁺-DMFおよびCo²⁺-DMF錯体を用いた、リーダントフリーで時間分解能のある化学的溶液堆積法を提案する。この方法により、蓝宝石およびムーラス基板上にナノポーラスCa₀.₃₅CoO₂薄膜を容易に成長させた。薄膜は室温近辺で0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²の高いパワー・ファクターを示し、15 mmの曲げ半径まで耐える優れた機械的柔軟性を有しており、柔軟熱電デバイスのスケーラブルで低コストなプロセス実現が可能である。

ABSTRACT

CaxCoO2 thin films can be promising for widespread flexible thermoelectric applications in a wide temperature range from room-temperature self-powered wearable applications (by harvesting power from body heat) to energy harvesting from hot surfaces (e.g., hot pipes) if a cost-effective and facile growth technique is developed. Here, we demonstrate a time resolved, facile and ligand-free soft chemical method for the growth of nanoporous Ca0.35CoO2 thin films on sapphire and mica substrates from a water-based precursor ink, composed of in-situ prepared Ca2+-DMF and Co2+-DMF complexes. Mica serves as flexible substrate as well as sacrificial layer for film transfer. The grown films are oriented and can sustain bending stress until a bending radius of 15 mm. Despite the presence of nanopores, the power factor of Ca0.35CoO2 film is found to be as high as 0.50 x 10-4 Wm-1K-2 near room temperature. The present technique, being simple and fast to be potentially suitable for cost-effective industrial upscaling.

研究の動機と目的

• 柔軟なCa₀.₃₅CoO₂薄膜を熱電応用に低コストかつスケーラブルに製造するための手法を開発すること。
• 複雑なリーダント補助プロセスを要せず、ムーラスのような柔軟基板上での薄膜成長を可能にすること。
• ナノポーラスCa₀.₃₅CoO₂薄膜において高い電気的パワー・ファクターを達成するとともに、機械的柔軟性を維持すること。
• 産業的スケーリングの可能性を有する、水系インクを用いた時間分解能があり迅速で容易な合成プロセスを実証すること。

提案手法

• 水系前駆体インクに内因的に生成されたCa²⁺-DMFおよびCo²⁺-DMF錯体を用いた薄膜堆積の利用。
• 時間分解能のある制御された熱処理を用いた、サファイアおよびムーラス基板上での化学的溶液堆積。
• 後処理でのリーダント除去工程を回避し、プロセスの複雑さを低減するためのリーダントフリー合成。
• ムーラスを柔軟基板としてだけでなく、薄膜を他の基板に転写するための犠牲層としても利用。
• 所望の結晶性を有する配向性でナノポーラスCa₀.₃₅CoO₂薄膜を達成するための制御された熱アニール処理。
• 構造、表面形態、熱電性能の確認のため、XRD、SEMおよび電気的測定による特性評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダントフリーで水系の化学的溶液法が、高品質で柔軟なCa₀.₃₅CoO₂薄膜を生成できるか。
• RQ2 この簡単な手法で作製されたナノポーラスCa₀.₃₅CoO₂薄膜で達成可能な最大パワー・ファクターはどの程度か。
• RQ3 薄膜は劣化を伴わず、どの程度の機械的曲げに耐えうるか。
• RQ4 時間分解能のある堆積プロセスが、薄膜の配向性および結晶性にどのように影響を与えるか。
• RQ5 ムーラスが、柔軟基板としてだけでなく、薄膜転写のための犠牲層としても効果的に機能するか。

主な発見

• Ca₀.₃₅CoO₂薄膜は室温近辺で0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²のパワー・ファクターを示し、強力な熱電性能の可能性を示している。
• 15 mmの曲げ半径まで曲げても、構造的整合性と電気的性能を維持しており、優れた機械的柔軟性を示している。
• 薄膜成長中にナノポーラス構造が保持され、電気的輸送に悪影響を及げることなく、表面積の増大に寄与している。
• 合成プロセスは時間分解能があり、複雑なリーダントを用いずに、高真空プロセスを必要とせず、迅速な薄膜形成が可能である。
• ムーラスを犠牲層として用いることで、薄膜を他の基板に効果的に転写することができ、応用の多様性が向上した。
• 本手法はスケーラブルで低コストであり、柔軟熱電デバイス製造における産業的スケーリングの可能性が非常に高い。