2016 Fiscal Year Annual Research Report
パイロクロア格子系に創出する革新的熱・エネルギー変換材料
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16H03848
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
岡本 佳比古 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90435636)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | パイロクロア / 熱・エネルギー変換 / 熱電変換 / 固体冷凍 / フラストレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、パイロクロア格子系の遷移金属化合物に現れる高エントロピー電子相が、従来材料を超える高いエネルギー変換効率をもつ熱電変換・固体冷凍材料を実現する可能性に着目する。パイロクロア格子系の遷移金属化合物は、d電子のもつスピン・軌道・電荷自由度の秩序形成に伴うエントロピー放出が幾何学的フラストレーション効果により阻害されるため、他の系と比較して巨大な電子エントロピーをもちうる。この電子エントロピーを、ケージ内包イオンのラットリングや金属絶縁体転移の外場制御と組み合わせることで発電・冷却機能として取り出す。このような方針に従い、パイロクロア格子系において集中的に材料開拓を行うことで高性能な熱・エネルギー変換材料を開発する。
H28年度は、ケージ構造をもつパイロクロア格子系であるβパイロクロア酸化物CsW2O6の熱電変換性能に着目した。放電プラズマ焼結法によりCsW2O6焼結体試料の、気相輸送法によりCsW2O6単結晶試料の合成に成功した。両試料の熱電変換物性を測定することにより、CsW2O6が金属としては大きな熱起電力と、ガラス並みの小さな熱伝導率を示すことを明らかにした。現時点の熱電変換性能は実用水準に達しないが、パイロクロア格子系物質が熱・エネルギー変換材料として有望であることを示す結果である。また、パイロクロア格子系以外においても熱・エネルギー変換材料の開拓を行い、逆ペロフスカイト酸化物Ca3SnOにおいて高い熱電変換性能が現れることを明らかにした。
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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
H28年度において、主にβパイロクロア酸化物CsW2O6の熱電変換特性に着目し、各種の熱輸送特性の測定を行った。その結果、CsW2O6が金属的な振る舞いを示す物質としては大きな、室温で約-60 μV K-1の熱起電力を示すことを明らかにした。また、室温の熱伝導率は焼結体試料において8 mW cm-1 K-1程度、単結晶試料において17 mW cm-1 K-1と、ガラス並みまたはそれ以下の小さな値をとった。熱伝導率の温度依存性も通常の結晶固体の示す振る舞いとは異なり、アモルファスの試料に現れるような温度依存性を示すことがわかった。この結果は、CsW2O6において粒界だけでなくCs+イオンのラットリング振動が顕著なフォノン散乱機構として働いていることを示唆する。CsW2O6が熱電変換材料として有望であることを示すだけでなく、パイロクロア格子系の熱・エネルギー変換材料としてのポテンシャルの高さを示唆する。
また、パイロクロア格子系以外でも熱電変換材料を中心とする熱・エネルギー変換材料の開拓を進め、逆ペロフスカイト酸化物Ca3SnOをはじめとするいくつかの系において高い熱電変換性能が現れることを明らかにした。このように、本課題における熱・エネルギー変換材料の開発は順調に進んでいるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H29年度において、以下の(a)から(c)の方針に従い、高性能な熱・エネルギー変換材料の開拓を行う。
(a) βパイロクロア酸化物CsW2O6の熱電変換性能を、化学組成の制御により最適化する。Csサイトに対する欠損の導入やWサイトに対するTa・Nb置換によりキャリア数を制御し、最高の熱電変換性能を示す化学組成を明らかにする。
(b) CsW2O6の固体冷凍材料としての可能性に着目する。CsW2O6は約210 Kにおいて金属絶縁体転移を示す。この相転移はスピン・軌道・電荷の秩序、または自由度の消失を伴うため、巨大なエントロピー変化が現れる可能性がある。H28年度に合成した焼結体試料・単結晶試料を用いてCsW2O6の金属絶縁体転移におけるエントロピー変化を評価したうえで、元素置換による相転移温度の制御や、外場により相転移を誘起することを目指す。
(c) パイロクロア格子系の遷移金属化合物において、幅広く熱・エネルギー変換材料を探索する。特に、n型の材料であるCsW2O6と対になるような、p型の熱電変換材料を中心に新材料開拓を行う。
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