2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15J08353
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐藤 直大 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / チムニーラダー相 / 狭バンドギャップ半導体 / 非整合複合結晶 / トンネル構造 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，主に以下の2点について研究を遂行した．(1) n型熱電材料として有望な非整合チムニーラダー相の性能向上指針の確立，(2) 結晶構造中にトンネル状の空隙を有する硫化物の熱電特性評価およびトンネルへのゲスト充填可否の検討．
以下にそれぞれの内容について詳細を述べる．
(1)非整合チムニーラダー相FeGeγはn型熱電材料の有望な候補物質であるものの，比較的低温において隣接相であるFeGeとFeGe2に分解してしまうために，あまり一般的でない焼結条件(低温・高圧)を用いる必要があった．また，熱処理温度が低温に限定されていたために，ドーパント固溶限が低いという問題があった．そこで，高温における熱的安定性の改善を目的としてFeサイトをRuで置換した試料を作製した．その結果，Ru量が0%から100%の全組成域においてチムニーラダー相のみが形成することが判明し，Ru量が10%以上の試料では著しく熱的安定性が向上した．Ru量が10%から50%の組成域においては，最大ZT値は0.5以上を維持しており，高い性能と熱的安定性を両立できることが分かった．更に，高温での熱処理が可能になったことでドーパント固溶限が増加した．次年度はRu置換した試料を起点にしてキャリア濃度制御を行い，更なる熱電性能の向上を図る．
(2)トンネル状に空いた1次元チャネル構造を有する物質が，ゲスト原子の充填によって，スクッテルダイト等のような理想的な熱電材料になり得るかという問題に対する試行物質として，直方晶構造の体心位置にb軸方向に沿って大きく空いたトンネルを有する硫化物CuTaS3に着目し，試料合成と熱電特性の評価を開始した．並行して第一原理計算を用いたトンネル構造への充填可否の検討を行った．
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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
非整合チムニーラダー相FeGeγについては，当初予定していたナノ構造の作製および評価において少々の遅れが生じているために，劇的な性能向上を達成することはできなかったものの，熱的安定性を改善することで様々なドーパント固溶限を増大させ，性能向上へのアプローチの幅を広げることができた．また，当初の計画になかった新たな要素として，第一原理計算の援用によってトンネル構造を有する硫化物という新しい材料系に着目し，その熱電材料としての有望性の評価を開始しており，総合的には概ね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，やや遅れが生じているナノ構造の作製および評価について研究を加速させる予定である．
非整合チムニーラダー相FeGeγにナノ構造を導入する方策として，以下の2点について検討している．(1)特定の元素の添加と熱処理によって組成の異なるチムニーラダー相のドメインがナノスケールで析出し，各ドメインの界面が効果的にフォノンを散乱するようなナノ構造の実現可能性を探る．(2)低融点の不純物相を含む粉末試料を加圧液相焼結することによって，粒界に高密度な転位組織を導入する．
トンネル構造を有する硫化物については，第一原理計算を援用しつつ，非化学量論組成および元素置換によるキャリア濃度と，トンネル構造への元素充填による格子熱伝導率の低減を並行して行う．
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