廃熱を電力に変換する技術で大きな前進 ―チタン添加でクロム窒化物熱電薄膜の性能を250倍に向上―

2026-10-13 東北大学

東北大学の研究チームは、クロム窒化物（CrN）薄膜に少量のチタン（Ti）を添加することで、廃熱を電力に変換する熱電材料の性能を大幅に向上させた。従来、CrN薄膜で高い熱電性能を得るには高温成膜やエピタキシャル成長が必要で、利用できる基板やデバイスへの集積が制限されていた。研究チームは、チタン添加によって結晶中の窒素空孔を抑制し、電気伝導率とゼーベック係数を同時に高めることに成功した。その結果、室温で成膜した薄膜のパワーファクターは、純CrNの約250倍に向上した。さらに、この薄膜を用いた熱電発電デバイスを試作し、既存の高性能熱電薄膜材料に匹敵する出力密度を確認した。本技術は、高温プロセスを必要とせず、熱電デバイスの小型化や集積化を容易にする可能性がある。工場や電子機器などから排出される廃熱の有効利用、エネルギー回収技術の普及への貢献が期待される。

図1. Ti添加CrN薄膜の室温における電気特性と熱電特性のTi濃度依存性。

＜関連情報＞

Tiドーピングによる CrN熱電材料のトレードオフの打破：室温で作製した薄膜からデバイスレベルの性能まで
Breaking the trade-off in CrN thermoelectrics via Ti doping: from room-temperature fabricated films to device-level performance

Junya Kurahashi;Yi Shuang;Yuji Sutou
Journal of Materials Chemistry A Published:12 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/d6ta04854d

Thermoelectric thin films capable of efficient energy conversion under low-temperature processing conditions are highly desirable for next-generation energy harvesting applications. Here, we report a Ti-doping strategy to modulate carrier transport in CrN thin films and achieve enhanced thermoelectric performance without high-temperature deposition. A maximum power factor of 5.26 µW cm⁻¹ K⁻², 250 times higher than undoped CrN, is realized by Ti doping at room temperature. Beyond material-level optimization, device-level evaluations demonstrate that the n-type Ti doped CrN device delivers high power output, while in-plane devices exhibit enhanced voltage generation arising from the combined Seebeck effect. Notably, the achieved power density is comparable to that of state-of-the-art thermoelectric thin films such as chalcogenide-based materials, despite the absence of high-temperature or epitaxy processing. These results establish nitride-based thin films as a competitive platform for thermoelectric energy conversion and provide a viable pathway toward high-performance devices compatible with scalable and flexible fabrication processes.