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Multifaceted analysis and design of thermoelectric clathrate materials based on single crystals

Research Project

Project/Area Number 21K20489
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

Matsukawa Yuko  九州大学, 工学研究院, 助教 (00910217)

Project Period (FY) 2021-08-30 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords熱電材料 / クラスレート化合物 / チョクラルスキー法 / 単結晶化 / 粒成長 / クラスレート / Ba-Cu-Ge / Ba-Cu-Ge-Si / Ba-Cu-Ge-Sn / Sr-Ga-Si / スパークプラズマ焼結法 / Ba-Cu-Si / Ba-Au-Si / 単結晶 / 半導体
Outline of Research at the Start

クラスレート材料は、地球上に豊富かつ環境負荷が小さいシリコンや銅などの元素を用いながら、高温で稼働する熱電材料として有望である。一般的な熱電素子であるπ型モジュールは、p型・n型半導体からなり、特に十分な性能とコストを合わせ持つp型材料の実現が必要とされている。本研究では、機能性の面でモデルとなる材料の創出と、組成・構造が熱電特性に与える影響の調査を、単結晶試料を用いて複数の観点から行う。これにより、クラスレート系熱電材料の高機能化のための材料設計指針を確立する。

Outline of Final Research Achievements

Ba8CuxSi46-x, Ba8CuxGe46-x, and Sr8AlxGa16-xSi30 clathrate semiconductors were successfully fabricated via Czochralski method. The specimens exhibiting refined composition and enhanced performance were derived from starting material whose compositions were tailored. The single crystallization technique yielded a reduced density of grain boundaries within the specimens, leading to the lower resistivity. The incorporation of additional elements into the initial material and annealing process following the Choklarsky method improved sample stability and performance by reducing impurities.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、資源的・環境負荷的制約が小さいクラスレート熱電材料において、実用化の目安を満たすp型の熱電材料を実現した。このことは、社会の様々な場面での熱電材料の応用を加速させる可能性がある。また作製した材料中の、不純物が材料の安定性や性能に与え得る影響を報告し、その対策を開発したことは、学術的にも社会実装的にも重要となる単相および単結晶試料の作製に資すると期待される。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Improvement of thermoelectric performance by optimizing chemical composition in single crystalline Ba<sub>8</sub>Cu<i><sub>x</sub></i>Si<sub>46-</sub><i><sub>x</sub></i> clathrate2021

    • Author(s)
      Zilong Zhang, Yuko Matsukawa, Masahide Yasuda, Chiho Inoue, Yusuke Kimura, Shigeto Yamasaki, Makoto Arita, Shinji Munetoh
    • Journal Title

      Journal of Functionally Graded Materials

      Volume: 35 Issue: 0 Pages: 8-12

    • DOI

      10.14957/fgms.35.8

    • NAID

      130008120845

    • ISSN
      2188-3807
    • Year and Date
      2021-12-31
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] チョクラルスキー法によるp型Ba8CuxGe46-xクラスレートの高性能化2022

    • Author(s)
      高木 健太郎, 荒木 修斗, 松川 祐子, 有田 誠, 宗藤 伸治
    • Organizer
      2022年度日本金属学会九州支部・ 日本鉄鋼協会九州支部・軽金属学会九州支部・ 合同学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Coドープβ-FeSi2の組成傾斜による熱起電力の向上2022

    • Author(s)
      松川 祐子, 森元 翔也, 堀 千咲, 木村 祐介, 有田 誠, 宗藤伸治
    • Organizer
      第31回新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Czochralski 法で作製した Sr8AlxGa16-xSi30 クラスレートの熱電性能に Al 置換が与える影響2022

    • Author(s)
      荒木 脩斗, 高木 健太郎, 松川 祐子, 有田 誠, 宗藤 伸治
    • Organizer
      第31回新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Sn存在下でのSPS法によるBa8CuxGe46-xクラスレートの熱電性能向上2022

    • Author(s)
      簑島 航平, 松川 祐子, 有田 誠, 宗藤 伸治
    • Organizer
      第31回新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] フェルミ準位の異なるn型Ba8AlxSi46-xクラスレート二層接合による熱起電力向上2021

    • Author(s)
      簑島 航平、中村 英介、有田 誠、松川 祐子、宗藤 伸治
    • Organizer
      2021年度日本金属学会九州支部、日本鉄鋼協会九州支部、軽金属学会九州支部、合同学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] CZ法を用いた二段階引き上げにより電位障壁を形成したBaAlSiクラスレートの熱電特性2021

    • Author(s)
      荒木 脩斗、井上 千穂、松川 祐子、有田 誠、宗藤 伸治
    • Organizer
      2021年度日本金属学会九州支部、日本鉄鋼協会九州支部、軽金属学会九州支部、合同学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] p型Ba-Au-Siクラスレート試料のCZ法を用いた組成傾斜による熱電発電効果2021

    • Author(s)
      木村 祐介、松川 祐子、有田 誠、宗藤 伸治
    • Organizer
      オンラインフォーラムFGMs2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Ba8AlxSi46-x単結晶の2層試料における熱電性能に対する組成の影響2021

    • Author(s)
      荒木 脩斗、松川 祐子、有田 誠、宗藤 伸治
    • Organizer
      オンラインフォーラムFGMs2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 単結晶化によるBa8CuxSi46-x クラスレートの低比抵抗化2021

    • Author(s)
      仲矢 彩花、簑島 航平、荒木 脩斗、笹岡 陸人、松川 祐子、有田 誠、宗藤 伸治
    • Organizer
      オンラインフォーラムFGMs2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Remarks] 九州大学大学院 工学研究院 材料工学部門 宗藤研究室 ホームページ

    • URL

      https://sites.google.com/view/munetoh-lab/

    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-10-22   Modified: 2024-01-30  

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