2019 Fiscal Year Research-status Report
High-pressure synthesis of high performance Mg2Si thermoelectric material
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17K06847
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
森 嘉久 岡山理科大学, 理学部, 教授 (00258211)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / 高圧合成 / 高圧物性 / Mg2Si / シリサイド系半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでのようにMg2Siを合成するための出発原料としてはMgH2の微粉末とSi粉末を使用し，高圧合成手法としては、独自に設計した簡易高圧セルと真空電気炉を組み合わせて合成を実施した。その合成物の評価は、XRDによる構造解析評価と，高温下におけるゼーベック係数及び電気抵抗率測定で電子物性評価をした。真空電気炉による合成実験であるので，合成中の試料酸化によるMgOの含有量が飛躍的に減少した。
熱伝導率の測定は岡山セラミックセンターによる委託研究として実施したが，合成物の熱伝導率は，これまで報告されている値と比較すると1/2程度の低い熱伝導度の値となった。この結果は熱電性能指数を考慮すると大きなアドバンテージとなる。
次のステップとしては、高圧合成した熱電材料を使用して実際に発電デバイスを試作することである。そこで9つの焼結体を直列に並べた熱電デバイスを試作して、その発電性能を評価した。実験装置としては簡易ホットプレスを改良したもので、高温部を最高温度500℃に設定し、低音部は放熱フィンにより空冷する。結果、温度差が200℃の時に650mVの電圧発生が確認できた。電圧としては試算した値と同等もしくはそれを上回る値となり、デバイス応用の可能性が出てきたが、金属電極と熱電材料の接触抵抗が大きいため、電力として取り出すには課題が残っている。
一方，高温高圧下での熱電性能実験は，岡山大学の惑星物質研究所(IPM)にある6軸超高圧発生装置を利用して開発・測定ができており，AlドープしたMg2Si熱電材料の圧力依存性のゼーベック係数や電気伝導度の測定結果を国際会議等で報告するとともに，論文としても投稿受理された。
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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
現在実施している高圧合成手法は、クランプ式の高圧セルと真空電気炉との組み合わせによるもので、簡便で未反応物や酸化物の少ないMg2Siの高圧合成ができるようになってきた。また出発原料がMgH2粉末なので，還元的な雰囲気中で合成されている。合成試料の評価は、XRDによる構造物性評価と高温下におけるゼーベック係数および電気抵抗の測定で、ある程度合成状態の評価ができるようになってきた。
熱電材料としてはある程度良質なものが合成できるようになったので、本年度はその合成材料を用いて実際に熱電デバイスを試作して、その評価を実施した。結果としては、9つの素子を直列に接続して200℃の温度差をつけると、650mVの電圧が発生したので、研究計画としては、順調であると考えている。ただし，電極部の接触抵抗が大きいのが課題として残っているので，今後はそのあたりの改良を検討していく。
一方、高温高圧下でのパワーファクター測定（ゼーベック係数と電気抵抗率）に関しては，継続してIPMの共同利用研究に採択されており，6軸加圧装置を用いて積極的に測定を実施してきた。いかにして同じ測定状況を再現できるかが大きな課題であり，本測定の場合，熱電対等のリード線が高圧下で断線することが頻発しないような工夫が必要である。高圧セルの再構成とリード線の補強を検討しながら，安定して測定できる実験環境を模索してきた。試行錯誤しながら最終的には，パイロフェライト製の圧力媒体を，これまでのキュービック型からアンビル間にもそのパイロフェライト製のガスケットが挿入されているような一体構造の圧媒体を設計して測定を実施した。一体型の構造になっているのでそれらを組み上げのは非常に容易となり，また流れ出るパイロフェライトの量が制限できるため，これまで以上に安定した高温高圧下での測定が可能になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は、昨年度までの研究期間であり、年度末に各種学会・研究会等での報告をもって最終報告とする予定であったが、新型コロナウイルス感染症の影響を受けて、本年度まで繰り返すことになった。本研究課題としては、その時に報告すべき内容をまとめて、報告可能な学会・研究会での報告もしくは論文等に取りまとめて報告したいと考えている。
実験としては，継続して試作した熱電デバイスの接触抵抗の問題や6軸プレスを用いた高温高圧下での熱電性能測定実験の改良などに取り組む。
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| Causes of Carryover |
研究成果を報告するための学会発表及び研究会が新型コロナウイルス感染症の影響で開催中止となったため、その旅費予算を次年度予算へ延長申請いたしました。
最終年度なので、これまでの成果を取りまとめて報告するための予算として使用する計画です。
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Research Products
(7 results)
