2017 Fiscal Year Annual Research Report
電子構造・フォノン分散の精密制御に基づく環境調和型熱電材料の創製
| Project/Area Number |
17H03421
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
高際 良樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (90549594)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 輝之 茨城大学, 工学部, 教授 (40314421)
後藤 真宏 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主席研究員 (00343872)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 構造・機能材料 / 排熱利用 / 二酸化炭素排出削減 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は主に、Al-Fe-Si三元系化合物に焦点を当て、高い電気出力因子を得る条件を満たす材料を第一原理状態密度計算からスクリーニングを行った。その結果、フェルミ準位近傍に狭ギャップを形成する化合物としてtau1相を見出した。報告されている状態図から目的相の生成域を確認しながら、熱電物性の組成依存性を調査した。tau1相はFe濃度を一定としてAlとSiが20at.%程度置き換えることが可能である。この柔軟な組成幅を利用することで、化学ドーピングを必要とせずにpn制御が可能であることを明らかにした。この実験事実は、発電モジュールを設計する際に、極めて有利に働く。また、比較的大きな出力因子が200℃以下の温度域で得られ、エネルギーハーベスティング用の構成素子として極めて有望である。
一方、最適組成の決定に向けて、組成傾斜試料の一方向凝固法による作製条件を探索した。その結果、大きい温度勾配と小さい移動速度の条件下でブリッジマン法により一方向凝固させると、組成傾斜試料が作製された。作製試料の分析結果から、tau1相ならびにtau3相の単相領域を生成することに成功した。この領域を切断抽出すれば、これらの相の単相試料が得られ、精密な熱電特性の測定が可能となる。
さらに、コンビナトリアルスパッタコーティングシステムを用いて、組成の変化した薄膜サンプルの作製を試みた。組成解析の結果、スパッタレートの関係からFeの含有量が不足する傾向があることが判明した。これは、Feが強磁性体であることが要因であり、Feのスパッタレートを大幅に増大させる目的で、新型のマグネトロンスパッタカソードの作製を行った。次年度では、このカソードを用いてFe含有量の向上を目指すと共に、高い熱電性能が期待される組成や結晶構造、配向性を調べるために、薄膜サンプルの創製が再現性良く行える成膜技術の確立を目指す。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題で着目する材料の一つであるAl-Fe-Si三元系化合物において、研究目的に合致する新材料を発見し、また、そのバルク特性を明らかにしつつある。既に報告されているように、非常に複雑な状態図を形成する系ではあるが、一方向凝固法を用いることにより、目的相の単相試料作製に成功し、その生成過程を明らかにした。不純物の混入の無い単相試料の作製により初めて真の物性を明らかにすることが可能になる。また、薄膜試料に関しても、コンビナトリアルスパッタコーティングシステムを用いた成膜条件の確立に向けて研究が着実に進展している。以上の研究成果から、当初研究計画と照らし合わせても、「おおむね順調に進展している」と判断できる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
次年度においては、２つの材料系に着目し、プロジェクトを遂行する。
(1)Al-Fe-Si系三元系化合物
バルク熱電特性の最大化を行うために、合成プロセスの最適化と最適組成の決定を行い、高出力バルク材料を創製する。また、p型およびn型材料の性能向上に資するドーパントを選定する。併せて、目的相の成膜プロセスを確立し、Al-Fe-Si系薄膜熱電材料の創製を目指す。
(2)MoSi2型Al6TM5Si4化合物
我々が新規に見出したMoSi2型の結晶構造を有するプロトタイプのAl6Re5Si4化合物は、AlとSiの組成比を調整することにより、pn制御が可能である。室温近傍においても高い電気出力因子が得られることから、本研究課題の目的に合致する材料系である。第一原理計算を併用しながら、より低コスト化を目指した材料開発を遂行する。
|
Research Products
(9 results)
