2019 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

Research Project

Project/Area Number	18K04791
Research Institution	Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
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, 研究室長 (20416324)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
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
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、酸化物還元法とパルス通電加圧焼結法を用いることで、原料粉末から1段階プロセスで合成同時焼結を行ったLaおよびSc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. MgとSbおよび酸化スカンジウム(Sc2O3)、水酸化ランタン(La(OH)3)の混合粉末から放電プラズマ焼結法による1段階の短時間プロセスで緻密なScおよびLaドープMg3Sb2焼結体を合成することができた。 2. 電子線後方散乱回折法を用いた結晶方位解析の結果、ScおよびLaドープMg3Sb2の平均結晶粒径は、17～38μmの値を示し、遊星型ミルによるメカニカルアロイング法による合成プロセスよりも粗大な粒径であることが明らかとなった。 3. La(OH)3およびSc2O3の添加により、室温での電子濃度は2.3×10＾19 cm-3 、3.7×10＾19 cm-3に上昇し、電気抵抗率は低下した。LaおよびSc原子がMgサイトに置換してn型のドーパントとして機能した結果と考えられる。 4. LaおよびScドープMg3Sb2の熱電無次元性能指数(ZT)はそれぞれ0.93 、0.80の高い値を示し、3族ドーピングがMg3Sb2の熱電特性の向上に有効であることを実験的に明らかにした。
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、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。従来は、Mg-Sb-Bi系材料合成時にMgが揮発するなどの問題があるため、遊星型ボールミル等により長時間メカニカルアロイング処理を施すなどの合成手法が報告されてきた。本年度は、酸化物還元法とパルス通電加圧焼結法を組み合わせることで、短時間の1段階プロセスで高性能のLaおよびScドープMg3Sb2の合成に初めて成功し、微細組織と熱電特性との相関を解明するなど、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。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度に計画を予定をしている、マグネトロンスパッタ法によるMg-Sb-Bi系薄膜の創製に着手する。基板温度、ガス圧、時間、パワーなどの高周波マグネトロンスパッタ条件や熱処理条件などを詳細に検討し、成膜条件の最適化を行う。また、得られた薄膜の組成、構成相、表面状態、および結晶粒径や配向性などの微細組織と熱電特性、輸送特性との相関を解明する。
Causes of Carryover	（理由）熱電特性評価装置やパルス通電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パルス通電焼結装置の消耗品購入に充てる予定である。