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Development of complex-cation engineering for high-performance thermoelectric oxides

Research Project

Project/Area Number 20H02443
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Hagiwara Manabu  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30706750)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Keywords熱電変換材料 / セラミックス / 複合カチオン / ペロブスカイト / 熱電変換 / 複合イオン / 熱伝導
Outline of Research at the Start

酸化物熱電変換材料の実用化に向けて、300 ℃前後の中温域での熱伝導率の大幅な低減が不可欠である。本研究では結晶学的に等価なサイトを価数の異なる2種類のカチオンが占めた「複合カチオン」を利用したフォノン散乱の増強により、材料の電気伝導性を保ちつつ熱伝導を抑制する。液相合成法を駆使した材料探索と逆モンテカルロ法を用いた局所構造解析によって複合カチオンエンジニアリングに基づく熱電変換材料の設計指針を構築し、中温から高温にかけての幅広い温度域で優れた熱電特性を示す材料を創製する。

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we adopted a method of replacing the Ca2+ and Sr2+ sites of perovskite-type oxides CaMnO3 and SrTiO3 with "complex cations" consisting of two cations with different valence, in order to reduce their thermal conductivity. For the CaMnO3-based system, replacing 10% of the Ca2+ sites with a complex cation consisting of Gd3+ and Na+ significantly reduced the thermal conductivity and gave a high power factor, resulting in a significant improvement in the dimensionless performance index ZT compared to pure CaMnO3. For (La1/2K1/2)TiO3, in which all of the Sr2+ in SrTiO3 is replaced by a complex cation consisting of La3+ and Na+, it was found that both high electrical conductivity and low thermal conductivity can be achieved by increasing the grain size.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでに酸化物熱電材料の熱伝導率を低減する手法として、主にはグレインの微細化や第二相との複合化によるフォノン散乱の増強が試みられてきたが、これらの”extrinsic”な効果は微細構造や組成のわずかな変化に強く影響されてしまうことが問題であった。本研究で実証した複合カチオンの導入による熱伝導率の低減は結晶化学に基づく”intrinsic”な効果であり、グレインサイズ等の微細構造の変化に依存しない。したがって本研究の成果は酸化物系熱電変換素子の実現に向けた材料設計の幅を大きく拡大することを可能とするものである。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Influence of local crystal structure and grain size on electronic transport properties of (La<sub>1/2</sub>K<sub>1/2</sub>)TiO<sub>3</sub>-based thermoelectric ceramics2023

    • Author(s)
      Sakuraba Shugo、Fujihara Shinobu、Hagiwara Manabu
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 131 Issue: 7 Pages: 216-222

    • DOI

      10.2109/jcersj2.22166

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • Year and Date
      2023-07-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of dual doping by rare-earth and sodium ions on thermoelectric properties of CaMnO<sub>3</sub> ceramics2022

    • Author(s)
      Ogawa Ryusei、Fujihara Shinobu、Hagiwara Manabu
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 130 Issue: 7 Pages: 403-409

    • DOI

      10.2109/jcersj2.21191

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • Year and Date
      2022-07-01
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ni-doping effect on thermoelectric properties of c-axis-oriented CuFeO2 ceramics2022

    • Author(s)
      M. Hagiwara, M.Tato, D. Shiojiri, T. Iida, and S. Fujihara
    • Journal Title

      Journal of Alloys and Compounds

      Volume: 905 Pages: 164192-164192

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2022.164192

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Nbドープ(La1/2K1/2)TiO3セラミックスにおける局所構造の解析と粒界抵抗の制御2023

    • Author(s)
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱電変換応用を指向した(La1/2K1/2)TiO3系セラミックスの結晶構造解析とプロセスの設計2022

    • Author(s)
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱電変換応用に向けた(La1/2K1/2)TiO3系セラミックスの作製と結晶構造解析2022

    • Author(s)
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • Organizer
      第42回電子材料研究討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 希土類およびナトリウムイオンをデュアルドープした熱電変換用CaMnO3セラミックスの作製2021

    • Author(s)
      小川竜生、萩原学、藤原忍
    • Organizer
      第41回電子材料研究討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of grain-oriented thermoelectric ceramics using hydroxide templates2021

    • Author(s)
      Manabu Hagiwara、Masahiko Tato、Rina Shimonishi、Shinobu Fujihara
    • Organizer
      Materials Research Meeting 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Caサイトを複合カチオンで部分置換した熱電変換用CaMnO3セラミックスの作製2021

    • Author(s)
      小川竜生、萩原学、藤原忍
    • Organizer
      日本セラミックス協会2020年年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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