2018 Fiscal Year Research-status Report
精密合成プロセスによる層状Zintl相半導体の微細組織制御と熱電特性の解明
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18K04791
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
谷 淳一 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究主任 (20416324)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / 放電プラズマ焼結 / 輸送特性 / 微細組織制御 / 合成 / 薄膜 / ジントル相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、地球環境問題やエネルギー問題が深刻化しており、廃熱を電力に変換できる熱電発電の実用化に期待が集まっている。本研究では、層状構造を有するジントル（Zintl）相Mg-Sb-Bi系熱電半導体に着目し、高性能化のための精密合成プロセスや薄膜化などの材料加工技術を開発し、組成および添加元素の最適化、微細組織制御、格子欠陥制御を行う。本年度は、液体封止剤を用いたMg-Sb-Bi材料の精密合成、放電プラズマ焼結法で合成を行ったYおよびTeドープMg3Sb2の微細組織と熱電特性について検討を行い、以下の成果が得られた。
1. 液体封止剤として酸化ホウ素粉末を用いて酸化を防ぐことで、タンマン管中でMg3Sb2およびBi置換したMg3Sb2の合成に成功した。
2. 黒鉛ダイス中にMg、Sb粉末の他に添加物としてY2O3微粉末を充填し、放電プラズマ焼結法により一段階プロセスで加圧焼結することで、YドープMg3Sb2の合成に初めて成功した。
3. 得られた焼結体の結晶方位解析の結果、YおよびTeドープMg3Sb2の結晶平均粒子径は、それぞれ40μm、94μmとなり、未ドープの試料の247μmよりも粒成長が抑制されることが明らかとなった。
4. 遊星型ボールミルによるメカニカルアロイング法で原料合成を行った焼結体の平均粒子径（10μm以下）よりも大幅に粒成長していることから、粒界によるキャリア散乱を抑制し、高い電子移動度を持つため、YおよびTeドープMg3Sb2ともに高い熱電特性(熱電無次元性能指数ZT＝1.0)を示すことを明らかにした。
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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
本研究では、3年間で3つのサブテーマを設定し、層状構造を有するZintl相Mg-Sb-Bi系熱電半導体の高性能化のための精密合成プロセスや薄膜化などの材料加工技術を開発し、組成および添加元素の最適化、微細組織制御、格子欠陥制御を行うことを目標にしている。
同材料系は、合成時にMgが揮発するなどの問題があるため、長時間のメカニカルアロイング等の手法で主に合成の検討がされてきた。本年度、タンマン管を用いた液体封止法を用いてMg-Sb-Bi単相の合成に成功し、大気中でも同材料の合成が可能となった。また、放電プラズマ焼結法でYドープMg3Sb2の合成に初めて成功するなど、学術的にも一定の成果が得られたことから、当初の研究目標を達成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度に計画を予定している、酸化物還元法を用いたMg-Sb-Biナノ複合材料の創製に着手する。酸化物還元法は、Mg系材料と酸化物の還元反応により、微細組織制御とドーピングの同時実現が可能な手法である。従来のプロセスではドーピングが難しいアルカリ金属、希土類元素などの酸化物、炭酸塩を添加剤として用い、Mg-Sb-Bi系材料のキャリア濃度、移動度などの半導体制御に取り組み、熱電特性の向上を目指す。
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| Causes of Carryover |
（理由）
熱電特性評価装置や焼結装置が老朽化しており、装置性能維持のために次年度に消耗品を購入する必要が生じた。
（使用計画）
繰越金は、熱電特性評価装置の消耗品や放電プラズマ焼結装置の消耗品購入に充てる予定である。
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