北海道大学と韓国の成均館大学校、産業技術総合研究所（産総研）らで構成する研究チームは、青色発光ダイオードの材料である窒化ガリウム（GaN）の高い電子移動度を活かした半導体二次元電子ガスが、実用化されている既存の熱電変換材料と比べて2倍～6倍の熱電変換出力因子を示すことを発見した（ニュースリリース、北海道大学のニュースリリース：PDF）。熱電材料の高性能化に向けて、有力な材料設計指針になり得ると期待を寄せている。
不純物を添加した一般的な半導体（a）と半導体二次元電子ガス（b）の熱電出力の模式図
（図：産総研、北海道大学）
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熱電変換とは金属や半導体のゼーベック効果（異種金属の接合部を温めると電圧が発生する効果）によって温度差を電気に直接変換するもので、工場や火力発電所、自動車などの廃熱を電気エネルギーに変換するクリーンなエネルギー変換技術として注目されている。熱電変換技術に利用できる半導体（熱電変換材料）の熱電変換性能は、温度差1℃あたりに発生する電圧（熱電能）、内部抵抗の逆数（導電率）、熱の伝わりやすさ（熱伝導率）、平均温度を用いた「熱電変換性能指数（ZT）」として求めることができ、ZTの値は大きいほうが熱電変換材料の性能は高い。例えば、ZTが「1」の熱電変換材料に700℃の温度差（自動車のエンジン付近の熱に相当）を与えた場合、熱電変換効率は約17％となる。
今回の研究で作製した半導体二次元電子ガスの模式図（a）と計測の様子（b）
（図：産総研、北海道大学）
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発表によると、ZTが1をわずかに超える熱電変換材料はいくつか実用化されているが、プラチナよりも高価で毒性もある「テルル」を含むものなど、大規模な実用化は難しいのが現状だ。米国や中国などでZTが2を超える熱電変換材料も発表されているが、性能の再現性に問題があるなど、こちらも実用化に多くの課題がある。
