p型・n型制御に成功:窒化物熱電薄膜の実用化に前進―残留酸素を活用した欠陥設計でキャリア極性を制御―

2026-03-12 東北大学

東北大学大学院工学研究研究チームは、クロム化物(CrN)薄膜伝導nからp制御する手法開発した。スパッタリング装置残留酸素不純物ではなく欠陥制御因子として利用し、窒素ガス流量調整すること結晶NCr形成制御し、キャリア極性反転実現した。放射光実験第一原理計算により、酸素欠陥形成調整する役割持つこと確認した。これにより、元素添加なし同一材料・同一結晶構造npCrN薄膜作製成功し、耐熱性n-pホモ接合熱電薄膜デバイス実現向け重要材料設計指針示した。

p型・n型制御に成功:窒化物熱電薄膜の実用化に前進―残留酸素を活用した欠陥設計でキャリア極性を制御―
図2. (a) 各fN2で成膜したCrN薄膜のゼーベック係数。(b) 代表例として、fN2 = 2 sccmで成膜したCrN薄膜のCr K吸収端におけるフーリエ変換EXAFSスペクトルおよびフィッティング結果。(c) (b)のフィッティングに基づき算出したCr-Cr経路の配位数(Coordination number)。

<関連情報>

CrN膜における残留酸素駆動p-n変換と熱電特性 Residual oxygen-driven p–n conversion and thermoelectric properties in CrN films

Yi Shuang,Yuta Saito,Shogo Hatayama,Mihyeon Kim,Paul Fons and Yuji Sutou
Journal of Materials Chemistry A  Published:06 Mar 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D5TA10269C

Abstract

Transition metal nitrides such as CrN are promising for thermoelectric applications due to their high stability and tunable electronic properties, yet they have been largely limited to n-type conduction, restricting device design. Here, we report the successful synthesis of p-type CrN films via controlled residual oxygen incorporation during RF magnetron sputtering regulated through N2 gas flow adjustment, without introducing any additional oxygen source. A low N2 gas flow rate (fN2) produces N-deficient CrN1−δ(O) films with n-type conduction dominated by nitrogen vacancies, while higher fN2 (≥4 sccm) stabilizes Cr vacancies in over-stoichiometric Cr1−δN(O) films, resulting in p-type hole conduction. Cr K-edge X-ray absorption fine structure (XAFS) reveals Cr–Cr bond elongation, reduced coordination, and enhanced Cr3d–O/N2p hybridization, indicative of localized hole states. Temperature-dependent transport measurements confirm the mechanisms, leading to a room-temperature power factor (PF) up to 0.105 mW m−1 K−2 (n-type) and 0.053 mW m−1 K−2 (p-type). The structural similarity between the n- and p-type films enables the creation of p–n homojunctions, highlighting a straightforward route for CrN-based thermoelectric devices.

0403電子応用
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