2018 Fiscal Year Research-status Report
Creation of Thermoelectric Clathrate Composites by Nanoscale Control of Interfaces and Textures
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17K06841
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
阿武 宏明 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60279106)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 和也 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (70756113)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電発電 / 未利用熱有効利用 / クラスレート / シリコン / 元素置換 / ナノ界面 / ゼーベック係数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
省エネルギー・環境共生型社会への転換に向けて、膨大な量の未利用排熱を電気エネルギーに直接変換する熱電発電技術の実用化を加速させるため、高温領域の熱電素子材料として期待される半導体クラスレート材料のナノ界面・組織制御による革新的複合材料を創製し、熱電性能の飛躍的な向上を図る。その材料設計として、(1)ホスト構造の変調を含む新規のクラスレートの創製：多元素置換による四員環導入によるホスト構造の変調、さらにゲスト原子の置換制御を行い、それらと熱電物性との相関を明らかにし、高い熱電性能を実現する構造を見出す。(2)ミスフィットを導入した新規クラスレート複合熱電材料の創製：ナノ界面・組織構造の制御によって飛躍的に熱電性能を向上させるフォノンとキャリア輸送への相乗効果を発現する構造を明らかにする。
(1)ホスト構造の変調を含む新規のクラスレートの創製においては、クラスレートにおける元素置換による構造と熱電特性への効果に関する基礎的な知見を得るために、クラスレートにおいて価電子数の異なる多元素置換によるホスト構造変調の熱電特性への効果について引き続き調査を実施した。新たな多元素置換系の合成に成功し、その新規化合物は中温度域で高いゼーベック係数をもつことを明らかにした。今後、この系における熱電特性の組成依存性やキャリア濃度依存性を調査し、熱電性能の最適化へ発展させる。
(2)ミスフィットを導入した新規クラスレート複合熱電材料の創製においては、ナノ界面・組織構造制御のためのナノ化プロセスに関して前年度に得た知見を基に、硫化物系材料とクラスレートとの複合化の検討を行い候補材料に関する知見を得た。また、ナノ界面効果についての知見を得るために、Siクラスレートに組み込んだ異種材料界面による輸送特性への効果について非平衡グリーン関数法を活用したDFTシミュレーションを開始した。
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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
（１）ホスト構造の変調を含む新規のクラスレートの創製において、価数の異なる多元素置換による新規化合物の合成に成功し、その系が高いゼーベック係数をもつことを明らかにするなど、新たな知見を得ることができた。（２）ミスフィットを導入した新規クラスレート複合熱電材料の創製では、クラスレートと複合化させるナノ粒子の検討から、候補となる材料に関して知見を得た。また、Siクラスレートに組み込んだ異種材料界面による輸送特性への効果について非平衡グリーン関数法を活用したDFTシミュレーションを開始し、ナノ界面を有する構造における輸送特性の調査が進展した。以上から、概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）ホスト構造の変調を含む新規のクラスレートの創製：前年度に見出した新たな多元素置換系において系統的に組成を振った化合物を作製し、それらの結晶学的特性を詳細に調査すると共に、熱電特性の組成依存性やキャリア濃度依存性を明らかにし、熱電性能の最適化を図る。
（２）ミスフィットを導入した新規クラスレート複合熱電材料の創製：初年度で得たクラスレートの微細化手法に基づいて、候補とするナノ粒子とのナノコンポジットの作製を本格的に進め、その結晶学的特性および熱電特性を明らかにする。さらに、エネルギーフィルタリング効果とフォノンブロッキング効果を相乗的に発現するクラスレートと異種材料とのナノ界面の構造設計について非平衡グリーン関数法を活用したDFTシミュレーションにより明らかにする。
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| Causes of Carryover |
当初の想定よりも旅費に経費がかかり物品費等を調整した。残額は次年度の物品費等に有効に活用する予定である。
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