2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of viable nanostructured thermoelectric materials
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17H02749
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
森 孝雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (90354430)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / ナノ構造制御 / ナノコンポジット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、熱電材料の実用化を阻んできた２つのパラドックスに対して、独自の切り口と材料で突破口を開き、熱電発電の初めての広範囲実用化につなげる高性能化原理を示すことを目的にする。具体的には、高電気伝導・低熱伝導の要求に対して、発見したナノ・ミクロ多孔による熱電高性能化（nanotech2016大賞プロジェクト賞受賞）を他の熱電材料に活用し、高性能実用化材料を開発する。一方で、高ゼーベック係数・高電気伝導の要求に対して、発見したナノコンポジットにおける複合効果の解明と一般材料への活用を行い、原理として発展させる。
本年度の実績としては、ナノ・ミクロ多孔創製による熱電高性能化において、上記受賞のｎ型材料の対となる、希土類フリースクッテルダイトのｐ型材料において、ナノ・ミクロ多孔を創り込むことに成功して、性能指数の増大を得た。一方で、他材料系への適用成功も得た。例えば、遷移金属カルコゲナイドCoSbSにおいて、Teの過剰ドーピングにより、ゼーベックと電気伝導率を最適化すると同時に、ナノ・ミクロ多孔も形成して、性能指数ZT～0.5という１００％の増大を得た。その他にも、ドーピングをきっかけに高性能化につながった複数の材料系が得られた。
一方で、ナノコンポジットの作戦において、高温のSmB66ホウ化物材料においては、再現性の良い高性能化例は得られなかったが、BiSbTe系に酸化物のナノ粒子を導入してナノコンポジットを形成することで、界面のエネルギーフィルタリングと思われる効果により、電気伝導率をあまり損なわずにゼーベック係数の増大に成功し、BiSbTe系を熱電性能指数ZT～1.5に非常に高性能化し、室温から450 Kの広い温度域で高性能ZT>1を達成した。
以上の本研究の成果は、注目され、学会で複数の招待講演が行われて、国際誌論文６編出版発表済、現在論文４編執筆が進んでいる。
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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
本研究の進捗状況は概ね良好に進んでいると考えられる。その理由として、ナノ・ミクロ多孔構造制御、および、ナノコンポジット化の両作戦による熱電性能向上が得られている。
前者のナノ・ミクロ多孔構造制御に関しては、広く適用できる熱電高性能化原理であることが明らかになってきた。世界では複数の追随する研究例が報告され始め、本研究でも、当初発見された材料以外の材料でこの手法で高性能化を実現している。例えば、実施成功例として、遷移金属カルコゲナイドCoSbSにおいて、Teの過剰ドーピングにより、ゼーベックと電気伝導率を最適化すると同時に、ナノ・ミクロ多孔も形成して、性能指数ZT～0.6という１００％の増大を得た。その他にも、ドーピングをきっかけに高性能化につながった複数の材料系が得られた。
後者のナノコンポジット化の作戦においても、顕著な高性能化例が得られた。BiSbTe系に酸化物のナノ粒子を導入してナノコンポジットを形成することで、界面のエネルギーフィルタリングと思われる効果により、電気伝導率をあまり損なわずにゼーベック係数の増大に成功し、BiSbTe系を熱電性能指数ZT～1.5に非常に高性能化し、室温から450 Kの広い温度域で高性能ZT>1を達成した。
研究成果が注目され、国際会議で複数の招待講演の研究発表を行っており、これに関わる論文出版と執筆も進んでおり、順調であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ・ミクロ多孔構造制御による熱電性能向上に関しては、以前受賞したｎ型材料のカウンターパートとなるべく、p型の希土類フリースクッテルダイトに関して、熱電的性質の高性能化を実現するナノ・ミクロ多孔の作成に成功したところである。本材料における、ナノ・ミクロ多孔はかなり異方性を有していることが示唆されており、今後は、異方性の精査と、異方性をさらに活用して、ナノ・ミクロ多孔の手法で、更なる高性能化の実現を目指す。
一方で、ナノコンポジットにおける複合効果の解明と熱電パワーファクター高性能化の道筋の開発に関しては、前年度は、BiSbTe系に酸化物のナノ粒子を導入してナノコンポジットを形成することで、最高熱電性能指数ZT～1.5に非常に高性能化し、室温から450 Kの広い温度域で高性能ZT>1を達成した。エネルギーフィルタリング効果によると示唆されるが、今後は、その現象解明を進め、さらに、他材料に、適用することを目指す。当初高温材料のSmB66などにおける適用を検討し実験を進めたが、最終的に、ナノ構造由来の効果であるために高温材料よりはより低温材料での適用がより効果的と結論し、前年度顕著な成果が得られたBiSbTe系材料に続き、室温近傍で検討されている熱電材料における、ナノコンポジットの複合効果を発展させる。
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[Journal Article] Probing of Thermal Transport in 50-nm Thick PbTe Nanocrystal Film by Time-Domain Thermoreflectance2018
Author(s)
Marek Piotrowski, Miguel Franco, Viviana Sousa, José Rodrigues, Francis Leonard Deepak, Yohei Kakefuda, Tetsuya Baba, Naoyuki Kawamoto, Bryan Owens-Baird, Pedro Alpuim, Kirill Kovnir, Takao Mori, and Yury V. Kolenko
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Journal Title
The Journal of Physical Chemistry C
Volume: 122
Pages: 27127-27134
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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