High crystallinity Si films containing silicide nanodots (NDs) were epitaxially grown on Si substrates at high temperature (∼750 °C), where the silicide phase of NDs (metallic α-FeSi2 or semiconductor β-FeSi2) was selectable by tuning the Fe deposition amount. The high crystallinity high-temperature-grown Si films with NDs exhibited lower thermal conductivity (5.4 W m−1 K−1) due to the phonon scattering at the ultrasmall ND interfaces than bulk Si-silicide nanocomposites that have ever been reported. In this ND system with extremely low thermal conductivity, due to the less point defects and high quality ND interface, the thermoelectric power factor (∼28 μW cm−1 K−2) was observed to be the same as the high value of Si films without NDs at room temperature, which is the highest value among Si-silicide bulk nanocomposites ever reported. The simultaneous achievement of a high power factor and low thermal conductivity in the high quality ND system will provide the key for design of high thermoelectric performance of Si-based nanostructured films.

1.
R.
Kroon
,
D. A.
Mengistie
,
D.
Kiefer
,
J.
Hynynen
,
J. D.
Ryan
,
L.
Yu
, and
C.
Muller
,
Chem. Soc. Rev.
45
,
6147
(
2016
).
2.
S. K.
Bux
,
R. G.
Blair
,
P. K.
Gogna
,
H.
Lee
,
G.
Chen
,
M. S.
Dresselhaus
,
R. B.
Kaner
, and
J. P.
Fleurial
,
Adv. Funct. Mater.
19
,
2445
(
2009
).
3.
A. I.
Hochbaum
,
R.
Chen
,
R. D.
Delgado
,
W.
Liang
,
E. C.
Garnett
,
M.
Najarian
,
A.
Majumdar
, and
P.
Yang
,
Nature
451
,
163
(
2008
).
4.
A. I.
Boukai
,
Y.
Bunimovich
,
J. T.
Kheli
,
J. K.
Yu
,
W. A.
Goddard
, and
J. R.
Heath
,
Nature
451
,
168
(
2008
).
5.
W.
Liu
,
X.
Yan
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Nano Energy
1
,
42
(
2012
).
6.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
,
M. Y.
Tang
,
R.
Yang
,
H.
Lee
,
D.
Wang
,
Z.
Ren
,
J. P.
Fleurial
, and
P.
Gogna
,
Adv. Mater.
19
,
1043
(
2007
).
7.
K.
Biswas
,
J.
He
,
I. D.
Blum
,
C. I.
Wu
,
T. P.
Hogan
,
D. N.
Seidman
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nature
489
,
414
(
2012
).
8.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
9.
G.
Joshi
,
H.
Lee
,
Y.
Lan
,
X.
Wang
,
G.
Zhu
,
D.
Wang
,
R. W.
Gould
,
D. C.
Cuff
,
M. Y.
Tang
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Renm
,
Nano Lett.
8
,
4670
(
2008
).
10.
X. W.
Wang
,
H.
Lee
,
Y. C.
Lan
,
G. H.
Zhu
,
G.
Joshi
,
D. Z.
Wang
,
J.
Yang
,
A. J.
Muto
,
M. Y.
Tang
,
J.
Klatsky
,
S.
Song
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
193121
(
2008
).
11.
P.
Eaksuwanchai
,
K.
Kurosaki
,
S.
Tanusilp
,
Y.
Oishi
,
H.
Muta
, and
S.
Yamanaka
,
J. Appl. Phys.
121
,
225110
(
2017
).
12.
J.
Xie
,
Y.
Oishi
,
S.
Ichikawa
,
H.
Muta
,
K.
Kurosaki
, and
S.
Yamanaka
,
J. Appl. Phys.
121
,
205107
(
2017
).
13.
S.
Tanusilp
,
K.
Kurosaki
,
A.
Yusufu
,
Y.
Oishi
,
H.
Muta
, and
S.
Yamanaka
,
J. Electron. Mater.
46
,
3249
(
2017
).
14.
J.
Stoetzel
,
T.
Schneider
,
M. M.
Mueller
,
H. J.
Kleebe
,
H.
Wiggers
,
G.
Schierning
, and
R.
Schmechel
,
Acta Mater.
125
,
321
(
2017
).
15.
R.
Anufriev
,
R.
Yanagisawa
, and
M.
Nomura
,
Nanoscale
9
,
15083
(
2017
).
16.
A.
Samarelli
,
L. F.
Llin
,
S.
Cecchi
,
J.
Frigerio
,
T.
Etzelstorfer
,
E.
Müller
,
Y.
Zhang
,
J. R.
Watling
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
J.
Stangl
,
J. P.
Hague
,
J. M. R.
Weaver
,
P.
Dobson
, and
D. J.
Paul
,
J. Appl. Phys.
113
,
233704
(
2013
).
17.
L. F.
Llin
,
A.
Samarelli
,
S.
Cecchi
,
T.
Etzelstorfer
,
E.
Müller Gubler
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
J.
Stangl
,
J. M. R.
Weaver
,
P. S.
Dobson
, and
D. J.
Paul
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
143507
(
2013
).
18.
N. S.
Bennett
,
N. M.
Wight
,
S. R.
Popuri
, and
J. W. G.
Bos
,
Nano Energy
16
,
350
(
2015
).
19.
Y.
Nakamura
,
M.
Isogawa
,
T.
Ueda
,
S.
Yamasaka
,
H.
Matsui
,
J.
Kikkawa
,
S.
Ikeuchi
,
T.
Oyake
,
T.
Hori
,
J.
Shiomi
, and
A.
Sakai
,
Nano Energy
12
,
845
(
2015
).
20.
Y.
Nakamura
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
19
,
31
(
2018
).
21.
T.
Oyake
,
L.
Feng
,
T.
Shiga
,
M.
Isogawa
,
Y.
Nakamura
, and
J.
Shiomi
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
045901
(
2018
).
22.
G.
Schierning
,
Phys. Status Solidi A
211
,
1235
1249
(
2014
).
23.
N. S.
Bennett
,
Phys. Status Solidi A
214
,
1700307
(
2017
).
24.
A. J.
Minnich
,
H.
Lee
,
X. W.
Wang
,
G.
Joshi
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z. F.
Ren
,
G.
Chen
, and
D.
Vashaee
,
Phys. Rev. B
80
,
155327
(
2009
).
25.
M.
Zebarjadi
,
G.
Joshi
,
G.
Zhu
,
B.
Yu
,
A.
Minnich
,
Y.
Lan
,
X.
Wang
,
M.
Dresselhaus
,
Z.
Ren
, and
G.
Chen
,
Nano Lett.
11
,
2225
(
2011
).
26.
N.
Neophytou
,
X.
Zianni
,
H.
Kosina
,
S.
Frabboni
,
B.
Lorenzi
, and
D.
Narducci
,
Nanotechnology
24
,
205402
(
2013
).
27.
N. S.
Bennett
,
D.
Byrne
,
A.
Cowley
, and
N.
Neophytou
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
173905
(
2016
).
28.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
K.
Watanabe
,
Y.
Kamakura
,
N.
Mori
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
37709
(
2018
).
29.
S.
Sakane
,
T.
Ishibe
,
T.
Taniguchi
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
T.
Fujita
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
,
N.
Mori
, and
Y.
Nakamura
,
Mater. Today Energy
13
,
56
(
2019
).
30.
Y.
Nakamura
,
K.
Watanabe
,
Y.
Fukuzawa
, and
M.
Ichikawa
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
133119
(
2005
).
31.
Y.
Nakamura
,
A.
Masada
, and
M.
Ichikawa
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
013109
(
2007
).
32.
S.
Sakane
,
M.
Isogawa
,
K.
Watanabe
,
J.
Kikkawa
,
S.
Takeuchi
,
A.
Sakai
, and
Y.
Nakamura
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
041402
(
2017
).
33.
A. A.
Shklyaev
,
M.
Shibata
, and
M.
Ichikawa
,
Phys. Rev. B
62
,
1540
(
2000
).
34.
Y.
Nakamura
,
Y.
Nagadomi
,
S. P.
Cho
,
N.
Tanaka
, and
M.
Ichikawa
,
J. Appl. Phys.
100
,
044313
(
2006
).
35.
S.
Yamasaka
,
Y.
Nakamura
,
T.
Ueda
,
S.
Takeuchi
, and
A.
Sakai
,
Sci. Rep.
5
,
14490
(
2015
).
36.
S.
Yamasaka
,
K.
Watanabe
,
S.
Sakane
,
S.
Takeuchi
,
A.
Sakai
,
K.
Sawano
, and
Y.
Nakamura
,
Sci. Rep.
6
,
22838
(
2016
).
37.
D. M.
Zayachuk
,
Semiconductors
31
,
173
(
1997
).
38.
J. H.
Bahk
and
A.
Shakouri
,
Phys. Rev. B
93
,
165209
(
2016
).
39.
A. V.
Shevlyagin
,
D. L.
Goroshko
,
E. A.
Chusovitin
,
K. N.
Galkin
,
N. G.
Galkin
, and
A. K.
Gutakovskii
,
Sci. Rep.
5
,
14795
(
2015
).
40.
R.
Okuhata
,
K.
Watanabe
,
S.
Ikeuchi
,
A.
Ishida
, and
Y.
Nakamura
,
J. Electron. Mater.
46
,
3089
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.