2017 Fiscal Year Annual Research Report
チタン―硫黄ネットワークを有する高性能熱電変換材料の創製
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17H04951
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
末國 晃一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10582926)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / 熱電物性 / 硫化物 / スピネル / 層状物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，TiS6八面体が稜を共有して成すネットワーク構造を有する物質に着目して，高性能なn型熱電物質を開発すると共に，優れた電気的特性(高い出力因子)を有する物質の設計指針を提案することを目的とする。
(1)我々が最近見出したn型熱電物質の硫化スピネルCu2CoTi3S8は，電子キャリア濃度が高すぎるために660 Kでの無次元性能指数ZTが0.2にとどまる。今年度は，ヨウ素を用いてCu2CoTi3S8からCuを酸化抽出しキャリア濃度を半減させることに成功した。また，高い圧力(200 MPa)下で比較的低温(773 K)においてSPS焼結することにより試料の分解を防ぎながら緻密化した。Cu欠損量の増加に伴って電子の熱伝導率は期待通り低下したが，ゼーベック係数がわずかしか上昇せず，ZT値は0.2程度のままであった。本研究で用いた酸化抽出法は他のCu含有熱電物質のキャリア濃度制御および性能向上にも有効であろう。
(2)擬1次元的な結晶構造をとるSn1.2Ti0.8S3の熱電物性を調べた。300 Kにおける熱伝導率は1 WK-1m-1よりも低く，ゼーベック係数は-400 μVK-1に達した。この物質のSn4+をNb5+で置換すると電子がドープされ，電気抵抗率は低減したが，ZTは670 Kにおいて高々0.1であった。性能をさらに高めるためには，結晶軸の配向を制御する必要があると判った。
(3)ミスフィット層状物質(SnS)1.2(TiS2)n(n=1,2)の熱電物性に対する元素置換効果を調べた。キャリア濃度を制御する目的で，SnとTiに対する異価数イオンの置換を試みたが，ほとんど置換されなかった。他方，SをSeで部分置換すると室温での出力因子が上昇し，同時に格子熱伝導率が抑えられた。その結果，n=2の系の室温での性能が0.07から0.11まで向上した。
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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
硫化スピネルCu2CoTi3S8からCuを酸化抽出し電子キャリア濃度を減らすことに成功した。また，200 MPaもの高い圧力を加えて比較的低温で焼結することで，試料の分解を防ぎながら緻密化させることができた。固相反応法では合成できないCu欠損試料の作製および焼結法を確立したことは，本研究を加速させるものである。
擬一次元物質のSn1.2Ti0.8S3を固相反応とアニールの条件をそれぞれ最適化することにより合成した。この物質のSn4+をNb5+で置換して電子をドープし電気抵抗率を下げたものの，ZTは670 Kにおいて高々0.1であった。さらなる性能向上には結晶構造の配向性を制御する必要がある。
上記2テーマは当初の計画であるが，その他にミスフィット層状物質の合成と元素置換の検討および熱電特性の評価も行った。SのSe置換により出力因子が増大するという知見は他の物質系の性能向上に活かせる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
硫化スピネルCu2CoTi3S8の性能を高めるためには，さらにキャリア密度を減らすとともに，格子熱伝導率を下げる必要がある。これらを両立させるために，CoとTiを異種元素で置換する方法を採る。また，本質的に低い熱伝導率の発現が期待される複雑構造をもつ関連物質を対象として熱電物性の評価とキャリア密度の制御を行う。
上述のチオスピネルと擬一次元物質Sn1.2Ti0.8S3およびミスフィット層状物質(SnS)1.2(TiS2)n(n=1,2)の電子構造に対する知見を得るために，導入する冷凍機を用いて低温における電子物性の測定を行う。得られたデータを研究協力者の第一原理計算の結果と比較して議論する。
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Research Products
(12 results)
