北海道大学ら、熱トランジスタの高性能化に成功：熱伝導率制御幅が従来比1.5倍に

北海道大学の研究グループは、大阪大学と共同で、「熱トランジスタ」の高性能化に成功した。「熱」を自在に操ることができれば、廃熱を有効利用することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

「熱」を自在に操ることで、廃熱を有効利用

　北海道大学電子科学研究所の太田裕道教授らによる研究グループは2024年7月、大阪大学産業科学研究所の李好博助教や田中秀和教授と共同で、「熱トランジスタ」の高性能化に成功したと発表した。「熱」を自在に操ることができれば、廃熱を有効利用することが可能となる。

　研究グループは、2023年2月に全固体熱トランジスタを開発した。ただ、この時の熱伝導率制御幅（オンとオフの熱伝導率差）が2.85W/mKと狭く、幅広い熱流制御には適していなかったという。その後、熱伝導率制御幅を拡大するには、電気を良く通す物質が有効であることを発見。そして、電気を良く通す「LaNiO₃」は、熱トランジスタの活性層として高いポテンシャルを持つことが分かった。

　そこで研究グループは、LaNiO₃を活性層とする熱トランジスタを作製した。熱トランジスタは、厚み0.5mmのYSZ単結晶基板上に、厚み10nmの10％GdドープCeO₂（GDC）薄膜、厚み2nmのSrCoO_2.5薄膜、厚み80nmのLaNiO₃薄膜を積層し、積層薄膜表面とYSZ基板裏面に厚みが50nmのPt薄膜を形成した構造である。

熱トランジスタの構造とオン／オフ切替えの模式図［クリックで拡大］ 出所：北海道大学、大阪大学

　作製した熱トランジスタを用い、電気化学的にオン状態（酸化状態）とオフ状態（還元状態）を切り替え、熱伝導率の変化を調べた。外形寸法が5×5mmの熱トランジスタを、280℃に加熱したヒーター上に設置し、上部と下部のPt間に電流（10μA）を所定時間流した。その上で電気化学的に還元・酸化し、LaNiO₃の結晶格子変化を調べた。

　この結果、酸化状態から還元すると次第に結晶が膨張した。その後に酸化すると結晶格子は元のサイズに戻った。還元と酸化の操作を7回繰り返し行ったが、結晶格子の大きさが可逆的に変化するだけで、結晶構造は壊れなかった。

　酸化状態と還元状態の熱伝導率を計測した。酸化状態では平均6.0W/mK、還元状態では平均1.7W/mKとなり、熱伝導率制御幅は4.3W/mKであった。SrCoO_xを活性層として用いた従来の熱トランジスタと比べ、熱伝導率制御幅は1.5倍となった。

LaNiO₃熱トランジスタの熱伝導率変化（7回繰返し）［クリックで拡大］ 出所：北海道大学、大阪大学

これまで報告された遷移金属酸化物の熱伝導率変化幅との比較［クリックで拡大］ 出所：北海道大学、大阪大学