固相プロセスによる熱電半導体のナノミクロ構造制御に関する研究

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560613
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 磯田 幸宏 独立行政法人物質・材料研究機構, エコマテリアル研究センター, 主任研究員 (80354140)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 今井 義雄 独立行政法人物質・材料研究機構, エコマテリアル研究センター, 主幹研究員 (40354138) ; 篠原 嘉一 独立行政法人物質・材料研究機構, エコマテリアル研究センター, 主席研究員 (70343853)
• Keywords: 固相プロセス / 熱電変換 / 溝ロール圧延 / ゼーベック係数 / 結晶粒径 / 熱伝導率

Research Abstract

Bi_2Te_3系熱電半導体の結晶構造は菱面体構造をもつ層状化合物であり、c面に非常に脆いへき開性をもつために塑性変形能が低く、圧延加工などが非常に難しい材料である。本研究ではBi_2Te_3系熱電半導体を固相プロセスよるナノミクロ構造制御により結晶粒径の微細化および結晶方向の制御を行い、結晶粒の低次元構造化を目的とした。
Bi_2Te_3系熱電半導体単体での塑性加工は非常に難しいのでBi_2Te_3溶製材または粉末を金属シース缶に封缶し、溝ロール圧延加工を施した。シース缶の材料は銅とアルミニウムとした。銅とアルミニウムのシース缶への適合性を調べると、封缶する際に溶接を用いたところ銅シース缶では缶の温度が高温になるため、CuとBi_2Te_3が反応し境界にCuとTeの化合物層がわずかに形成されることが判った。また、アルミシース缶においては境界に化合物層は確認できなかったが、溶接部が溝ロール圧延中に破損しやすいことが判った。このため、シース缶は内側にアルミ缶、外側に銅缶とした二重缶の構造とした。
一方向凝固した溶製材を溝ロール圧延加工を施したところ、圧延加工後の結晶方位関係は、ロール押出方向にa軸が向いており、劈開面は押出方向よりわずかに傾いている。加熱による溝ロール加工後の室温におけるゼーベック係数は加工温度によりp型からn型伝導への変化を示し、室温加工後に熱処理した試料や冷間プレス試料の熱処理温度依存性と同じ傾向を示した。ゼーベック係数は低温で異方性が大きくなり、異方性の度合いは溶製材や焼結体と同じであった。熱伝導率は溶製材に比べて約40%も低減され、ロール押出方向および水平方向では約1.34WK^<-1>m^<-1>で、もう一つの水平方向では約1.02WK^<-1>m^<-1>と異方性も大きくなっていた。溶製材を溝ロール加工すると結晶の微細化が促進され、粉末化工程を省略した製造法で素子を作製することが出来、この製造法は特許出願した。粉末を封缶して溝ロール加工を施した試料は劈開面で容易に破損してしまい、各測定を行うことが非常に困難であった。しかし、溝ロール圧延加工後の熱伝導率はホットプレスした焼結体よりも小さくなっており、異方性は溝ロール圧延後の溶製材と同程度であった。組織観察の結果、結晶構造のa面がロール押出方向に向いており、加工により構造制御の可能性が高いことが判った。

Research Products

• [Book] 熱電変換材料 (2005)
  • Author(s): 磯田幸宏, その他29名
  • Total Pages: 288
  • Publisher: 日刊工業新聞社
  • Description: 「研究成果報告書概要(和文)」より