2014 Fiscal Year Annual Research Report
格子間サイト制御と三元系新物質探索によるマグネシウム－シリコン系熱電材料の創製
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14J04789
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
窪内 将隆 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / マグネシウムシリサイド / 格子間サイト / 単結晶X線回折 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在廃棄されている膨大な熱エネルギーを熱電発電によって電気エネルギーに変換し，利用するクリーンな社会を目指し，熱電材料であるMg2Siの高性能化を図った．本年度はMg2Siにおいて格子間サイトMg(Mgi)の制御及びYb-Mg-Si系新物質の合成に取り組んだ．
前者に関して，Mg2Siでは格子間サイトのMg(Mgi)を制御することによって，n,p型の作り分けが可能となる．本研究では報告が少なく，熱電性能がまだまだ低いp型Mg2Siの作製及び性能向上を目指し，Mgi量の制御(Mgiの脱離)を試みた．Mgi量を制御するために，真空中でのアニール，電気化学法を用いたMgiのデインターカレーション，仕込みのMg量の調整，の3つのアプローチで実験を行った．その結果，アニール及び電気化学法によってMgが脱離することがわかった．ただしその量を制御することは難しく，今後実験条件を改善する必要がある．また仕込みのMg量調整をすることで，Mg2Siの熱電性能にはMgi量より粒界Mg相の量が効いていることを見出した．これはMg2Siを母相としたコンポジット相において，今までとは異なる方法で熱電性能の向上が図れることを示唆している重要な結果である．
後者では過去の研究で優れたp型性能を示したSr2Mg4Si3相のSrをYbで置換することを目指し，実験を行った．その結果Yb2Mg4Si3は作製できず，Yb2MgSi2が得られた．この物質の熱電特性を測定したところ，室温以上ではZT=0.005程度と低かったが，室温以下の低温でSeebeck係数がピークを持つ興味深い振る舞いが観察された．この低温でのSeebeck係数の挙動がYbの搖動と関係していることがわかり，Ybの価数を意図的に変化させることにより性能が向上する可能性があることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はMg2Si熱電材料のp型化及び新物質探索を目指し，Mgi量の制御及びYb-Mg-Si三元系新物質探索を行った．結果としてアニールや電気化学法を用い，特定条件下でMgを恣意的に脱離させることに成功した．しかしMgi脱離量の制御には至らなかったため，来年度は条件を絞り込むことで，Mgi量の制御及びMg2Siのp型を目指す．Yb-Mg-Si系材料の探索に関しては，目的としていたYb2Mg4Si3相は様々な条件下で試料作製を試みたにも関わらず，観察されなかった．しかし生成したYb2MgSi2相のSeebeck係数が，低温下でYbの搖動による興味深い挙動を示した．Ybの価電子数の制御が可能であれば，Seebeck係数が増加する可能性があり，置換などの方法を用いて高性能化を目指す．
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| Strategy for Future Research Activity |
Mgiの制御に関してはアニール及び電気化学法の条件を絞り込む．新物質探索に関しては，Yb2MgSi2に置換などを施したのち，高性能化の見込みがあれば続行，なければWien2kの第一原理計算に基づいた新たな物質作製を試みる．
また本研究ではこれらの研究と並行して，仕込みのMg量調整をすることで，Mg2Siの熱電性能にはMgi量より粒界Mg相の量が効いていることを見出した．このことからMg2Siを母相としたコンポジット相において，今までとは異なる方法で熱電性能の向上を図れることが示唆された．そこでこのMg相と熱電性能間のメカニズムを明らかにするとともに，粒界にMg相以外の第二相を入れると熱電性能にどのような効果を及ぼすのか，またどの第二相が効果的なのか調査を行う．
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