2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of complex-cation engineering for high-performance thermoelectric oxides
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20H02443
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
萩原 学 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30706750)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / セラミックス / 複合イオン / 熱伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、価数の異なる２種類のカチオンからなる“複合カチオン”を金属酸化物半導体に導入することで、フォノン散乱の増強によって熱伝導率を大幅に低減し、中温（300℃程度）から高温（900℃程度）までの幅広い温度範囲で優れた特性を示す熱電変換材料を創製することである。2021年度は、まず空気中での焼成が可能なn型の酸化物半導体であるマンガン酸カルシウムCaMnO3（CM）についてNa+および希土類イオン（La3+, Gd3+, Dy3+）からなる複合カチオンでCa2+を部分置換したセラミックスを作製し、その電気伝導および熱伝導特性を調べた。その結果、複合カチオンの部分置換によって300 Kから700 Kの温度範囲での熱伝導率が大きく低下し、またイオン半径の大きいLa3+を使った場合に比べてより小さいGd3+あるいはDy3+を使った場合のほうが、高い熱電変換特性が得られることがわかった。また、チタン酸系のAサイト複合ペロブスカイト型酸化物である(La1/2K1/2)TiO3（LKT）について放射光X線を用いた全散乱測定を行い、得られた原子対相関関数を逆モンテカルロ・シミュレーションにより解析した。その結果、LKTのTi4+イオン周りの配位環境は既往の熱電材料であるSrTiO3と非常に似通っており、キャリア密度を増大させればSrTiO3と同等の高い電気伝導性が実現できることが示唆された。今後はLKT系の材料についてプロセスおよびドーピングのさらなる最適化により、高い電気伝導性を示す試料の作製を試みていく。
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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
これまでにマンガン酸系の材料について複合カチオンの導入による特性向上の指針を明らかにすることができた。一方、チタン酸系の材料については、原子対相関関数の解析によって結晶構造の理解が大幅に深まったものの、高い電気伝導率を示す試料の作製に関してさらなる検討が必要な状況である。以上より、本研究課題全体としてはおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、(La1/2K1/2)TiO3系の材料についてさらなるプロセスおよびドーピングのさらなる最適化により高い電気伝導性を示す試料の作製を試みていく。作製した試料について熱伝導率の測定と原子対相関関数の解析を行い、材料の局所構造と電気伝導・熱伝導特性との関係性を明らかにし、優れた熱電変換特性を示すチタン酸系ペロブスカイト型酸化物の創製に向けた指針を明らかにする。
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