【本学研究者情報】

〇大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻　助教　双逸
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【発表のポイント】

• スパッタリング^（注1）装置内の残留酸素を除去すべき不純物ではなく制御因子として活用し、意図的な元素添加を行うことなくクロム窒化物（CrN）薄膜のn型からp型への伝導型変換^（注2）を実現しました。
• 酸素が結晶中の欠陥を制御する鍵として機能することを解明しました。
• 単一材料かつ同一結晶構造を持つn型・p型CrN薄膜の作製に成功し、耐熱性に優れたn-pホモ接合^（注3）型薄膜熱電デバイスへの道を開きました。

【概要】

近年、集積化や小型化に適した薄膜熱電材料^（注4）への関心が高まっています。中でも、高温環境下で安定に動作する遷移金属窒化物は有望材料とされ、特にクロム窒化物（CrN）は優れたn型熱電特性を示すことが知られています。一方、実用的な薄膜熱電モジュールには、同一材料系でn型とp型の両立が不可欠ですが、従来手法ではプロセスの複雑さが課題となっていました。

東北大学大学院工学研究科の双逸助教と須藤祐司教授らの研究グループは、スパッタリング装置内の残留酸素を活用し、反応性窒素ガス流量を制御することで、CrN薄膜の伝導型をn型からp型へと変換できることを見出しました。低流量ではN空孔によりn型を示し、流量の増加によりCr空孔が安定化してp型へと変化します。放射光実験および第一原理計算により、酸素が欠陥形成を制御する因子として機能していることを明らかにしました。

本成果は、意図的な元素添加を行うことなく単一材料でn型・p型の両立を可能にする新たな材料制御指針を示し、耐熱性に優れた窒化物薄膜熱電デバイスの実現に向けた重要な一歩となるものです。

本研究の成果は、2026年3月6日に英国王立化学会誌Journal of Materials Chemistry Aに掲載されました。

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当センターのグリーン未来創造機構 グリーンクロステック研究センターの齊藤 雄太教授もこの研究に関わられているため、当センターでもプレスリリースいたしました。