2021 Fiscal Year Annual Research Report
Microstructure control and elucidation of thermoelectric properties of layered Zintl phase semiconductors by fine synthesis process
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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, 研究室長 (20416324)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / 放電プラズマ焼結 / スパッタリング / 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 |
国内の一次エネルギーの約6割にあたる膨大な廃熱が地球環境に排出されており、エネルギーの再利用の観点から、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる熱電素子に期待が集まっている。2016年に発見された高性能n型Mg-Sb-Bi系熱電半導体は、既存の代表的な熱電材料の特性(ZT＝1)を凌駕することが報告されている。同材料はバルクの熱電特性向上を目的に検討が進められているが、薄膜材料の研究例はほとんどない。
我々は、昨年度、高周波マグネトロンスパッタ法を用いて、Mg-Sb系多結晶薄膜の作製に成功した。本年度は、同薄膜の熱電特性および顕微レーザーラマン分光法による結晶構造解析について検討を進め、以下の成果が得られた。
1. MgディスクとSbチップからなる2元素成分系のターゲットを使用し、Mgディスク板上のSbチップの数を変化させることで、薄膜のMg/Sb元素比を制御した。六方晶h-Mg3Sb2薄膜はp型半導体であり、電気抵抗率、ゼーベック係数の値は、基板温度(Ts)に強く依存した。Ts = 573、673、773 K で作製したh-Mg3Sb2薄膜の熱電パワーファクターの最大値は、それぞれ0.28、0.97、1.29 μW/cm K2の値を示し、Ts =773 Kの時、最も高い性能を示すことが明らかとなった。
2. 立方晶c-Mg3Sb2については、これまでSevast'yanovaらによる高圧合成やSedighiらによる理論予測以外に報告はされていない。本研究のMg-Sb薄膜では、Mgリッチ組成においてc-Mg3Sb2が準安定相として存在することが分かった。c-Mg3Sb2の格子定数は、第一原理計算からの理論値とよく一致した。また、c-Mg3Sb2薄膜のラマンスペクトルは、第一原理計算の格子振動計算の理論予測結果と一致しており、各振動数の振動モードを解明することができた。
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