2021 Fiscal Year Annual Research Report
Achieving minimum thermal conductivity in higher manganese silicide-based thermoelectric materials through controlling of incommensurate nano-sized domains
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20H00394
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
宮崎 讓 東北大学, 工学研究科, 教授 (40261606)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 慶 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70360625)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / 格子熱伝導率 / 非整合構造 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マンガンケイ化物MnSiγ (γ ~1.7) における優れた熱電特性を本研究代表者らが報告して以降、非整合複合結晶を対象とした熱電材料研究が加速している。非整合複合結晶は特有の変調構造を持ち、通常の固体では実現困難な高出力因子と低熱伝導率を両立しうるため、熱電発電材料として理想的な物質である。本計画では、研究代表者らのこれまでの先導的な研究を更に発展させ、種々のスケールで発現する非整合構造由来の微細組織を制御して理論最低熱伝導率を達成し、世界最高の熱電発電出力密度（1 kW/m2）を実現するための学理を究明することを目的としている。前年度に得られた知見を基に、今年度は、MnサイトおよびSiサイトを部分置換した固溶相試料を合成し、固溶限の確認や微細組織観察を進めた。
まず、無置換単結晶試料の微細組織観察を行ったところ、第二相として生成するMnSi相の形態が、熱処理条件によって大きく変化することを確認し、またそれに伴ってγ値の異なる円形組織が形成されることを発見した。この円形組織はMnSi相の近傍に生成することが確認され、試料全体の化学組成を維持するように、組成濃淡が実現している。さらに、MnサイトのVやRuによる部分置換や、SiサイトのAlによる部分置換を試み、出現するナノ組織形態と熱電特性の関係について評価を進めている。今後は、更に高い分解能で微細組織が観察可能な高分解能電子顕微鏡（学内共通分析装置）を用いて、生成組織のナノレベルでの評価を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度着任した外国人博士研究員が母国に一時帰国した際に、新型コロナウィルスの感染者が国内で再度増加したため、しばらく来日が叶わずに研究が一時的に遅延した。しかし、再入国後に試料合成を加速した結果、今後の展開を左右する微細組織に関する新たな知見が得られ、現在２編の原著論文を纏めている。また、MnサイトをＲｕで部分置換した試料では、硬度（ビッカース硬度）が大幅に向上して、クラックの生成が大幅に削減された。これは当該試料を用いて発電モジュール化する際に、熱サイクル下においても試料寿命の低下を抑制できることに繋がる画期的な知見である。現在、その理由はほぼ解明されており、この点についても新たな原著論文として纏めているところである。
単結晶試料の微細組織が格子熱伝導率に及ぼす影響を評価する手法として、今年度は新たにケミカルインピーダンスアナライザを備品として購入し、単結晶試料の複素インピーダンスの温度変化の測定を開始した。実際の解析では、試料中の大部分を占める基体（マトリックス）と晶出物（分散相）の２相モデルを構築して解釈を試みている。
また、モジュール化を見据えた予備実験にも着手しており、n型素子の候補として、同様のチムニーラダー型構造をとる鉄ゲルマニウム化物FeGeγ (γ ~1.5) に着目し、合成条件の検討を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的達成に不可欠な具体的課題として、(1) マンガンケイ化物のフォノン輸送第一原理計算、(2) 非整合ナノドメイン分裂の形成メカニズムの解明、(3) 微細組織と格子熱伝導率の相関の把握、(4) 不規則ドメインの形態制御による低熱伝導率化、(5) 発電モジュールの試作と発電特性評価、の５項目を遂行する計画であり、これまでに(1)から(3)までをほぼ終了した。2022年度は、(1)から(3)における一部未完了の項目に加え、項目(4)および(5)を遂行する。
項目(4)および(5)の具体的な計画は以下のとおりである。
(3)は当初予想以上に組成や熱処理条件のバリエーションが多く、未実施のものをさらに実施しつつ、(4)を進める。MnサイトのVまたはRu置換に加えて、優先順位の高いCr置換を行い、組成と熱処理条件が微細組織に及ぼす影響を纏める。また、n型候補材料のFeGeγの生成条件を把握し、併せて他元素による部分置換を行い熱電特性の最適化を進める。後半では、本研究で特性が最適化されたp型素子とn素子を用いて、素子形状や対数を最適化してプロトタイプの発電モジュールを設計・試作し、発電特性を評価する。
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Research Products
(1 results)
