2020 Fiscal Year Annual Research Report
コロイド法による海島構造制御を通じた高性能硫化物系ナノコンポジット熱電材料の創製
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19H02440
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
前之園 信也 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00323535)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / ナノ粒子 / ナノコンポジット / 階層的欠陥構造制御 / ナノインクルージョン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【p型硫化物ナノ粒子】 前年度、Cu3Zn1-xAlxSnS5-yナノ粒子を焼結することで、x=0において最も高いZT値（0.39@658K）を記録したため、令和2年度は、このCu3ZnSnS5-y（CZTS）ナノ粒子をホスト、Cu2SnS3（CTS）等の他のp型熱電ナノ粒子をナノインクルージョンとして配合することで、出力因子を最適化して、ZT値を最大化することを目的として、ナノインクルージョンの種類や配合比を変えながらその熱電特性を系統的に調査した。配合比を変えることで熱電特性は変化するものの、まだZT値を大きく向上させることには成功していない。今後も検討を継続して行っていく。
【n型硫化物ナノ粒子】 化学合成したCoSbSナノ粒子を焼結したペレットの電気伝導機構を調べた。その結果、低温領域（<170 K）ではMott variable-range hopping伝導、高温領域（>300 K）ではバンド伝導であることがわかり、S欠損に由来するドナー準位が存在し、その伝導帯からの深さは120 meV程度であることを明らかにした。また、カルコパイライト（CuFeS2）ナノ粒子にAgナノ粒子を配合して焼結したn型熱電材料を作製し、その熱電特性と電気輸送特性を調査した。Agナノ粒子を添加することで、電気伝導率とゼーベック係数ともに増加するという興味深い現象が見られ、そのメカニズムについて、現在も検討を継続して行っているところである。
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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、4種類のp型硫化物ナノ粒子と3種類のn型硫化物ナノ粒子を組み合わせ、多種多様なホスト－ナノインクルージョン構造を有するp型及びn型ナノコンポジット熱電材料を創製することを目的としている。
令和2年度は、主にn型ナノ粒子の組成に着目し、原子・ナノスケール欠陥構造が電気伝導特性に及ぼす影響について検討を行った。また、p型熱電材料については、CATS-CZTSのp型ホスト－ナノインクルージョン系において、CZTSナノ粒子の凝集状態と配合比を変化させることでメソスケール欠陥構造を制御し、熱電特性を変調することに成功した。
以上、p型熱電材料については当初の計画に沿って研究が進展しており、n型については当初予定にはなかったAgナノ粒子をナノインクルージョンとして導入することも検討した。新型コロナ感染症の影響は若干あるものの、研究全体としてはおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、p型についてはCATS-CZTS系ホスト－ナノインクルージョン熱電材料に注力し、n型についてはCuFeS2-Ag系、CoSbS-Ag系、CuFeS2-チオスピネル（TS）系を軸として、多様なホスト－ナノインクルージョン構造を有するナノコンポジット熱電材料を創製する。
ナノ粒子の組成、大きさ、形状を変化させることで原子・ナノスケール欠陥構造を精密制御する。また、ナノインクルージョンとなるナノ粒子の凝集状態と配合比を変化させることでメソスケール欠陥構造を制御する。
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