2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of thermoelectric module of the silicide materials synthesized under pressure
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20K04336
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
森 嘉久 岡山理科大学, 理学部, 教授 (00258211)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / Mg2Si / 高圧合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，マグネシウムシリサイド半導体（Mg2Si）熱電材料を高圧技術により合成し，その合成物を用いた熱電モジュールを開発することにある．Mg2Siは，500℃周辺の中温領域で発電効率が大きいので，車載用熱電モジュールとしての利用が期待されるる一方，その実用化には，(1)安価で高効率な発電デバイスとするために不可欠なp型Mg2Si熱電材料を高圧合成により確立すること，(2)素子をデバイス化するために必要な電極の接触抵抗を小さくすること，(3)熱電材料を高温下に長期間放置するときに生じる酸化を抑制することなどが課題として挙げられる．
昨年度に引き続き新型コロナ感染症の影響を受け，学外での研究が十分遂行することができなかったが，SPS焼結の委託研究等も活用しながら着実に研究を遂行した．まず高温環境下での熱電素子の耐酸化の課題において，昨年度はパイロフェライト製チューブに熱電素子を内包して一体合成する合成を実施したが，今年度は，SPS焼結と高圧合成を組み合わせた装置での高圧合成を実施した結果，昨年度以上の耐久性を有した熱電素子を得ることができ，その耐久期間を昨年度と比較すると，1桁以上向上させることに成功した．また，電極との接触抵抗についても，熱電素子と電極材の原料を一体でSPS焼結させることで，向上させることが出来た．接触抵抗の実測とその詳細な比較検討に関しては次年度の課題としたい．さらに，p型のMg2Si熱電材料合成についてもこの技法を用いた高圧合成をすでに実施しており，その合成物の熱電評価を速やかに実施することで，p型Mg2Si熱電素子の合成を目指していくことになる．
上記のように，今年度実施したSPS焼結と高圧合成を組み合わた技法は，様々なアドバンテージが期待できるので，今後はこのテクニックの詳細を解明しながら本研究課題の遂行に役立てていきたいと考えている．
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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
今年度も，新型コロナ感染症の影響を受けつつも，その研究計画の方向性を修正しながら研究室を中心とした実験を実施した．特に，SPS焼結と高圧合成の技術を組み合わせたことにより，耐久性の面での熱電性能評価は飛躍的に向上した．通常の高圧合成の場合，その合成時間が非常に長くなるので，このSPS焼結との組み合わせは，今後のアプリケーションを考慮した上でも大きなアドバンテージとなるに可能性がある．
我々のMg2Si熱電材料の焼結法は，熱電素子および電極材料の原材料であるMgH2, Si, Niなどの粉末を直接試料室に積層し，高圧下でSPS焼結するものであり，その環境下でMg2Siおよび電極材が合成されることになる．原材料からの直接合成・焼結となるので，合成プロセスも簡略化される．ただし，未反応物の存在やそれらの酸化，また合成減圧時に生じる素子内亀裂などの課題が残っているので，最終年度にはその課題克服に向けた研究を遂行していく．
一方，高圧下での熱電性能を評価する研究課題は，学外（岡山大学地球惑星物質研究所）の共同利用研究により遂行していく．新型コロナ感染症の影響は，さらに長期間継続するものと考えられる一方で，徐々に緩和される傾向にあるので，その状況を踏まえた上で，共同利用研究を着実に実施していきたい．
高圧合成した素子を用いたモジュールを作成し，それを車載することが本来の目的であるが，その可能性を調べるためには，電極の接触抵抗や高温環境下での振動による素子破壊，取り出し回路の作成などの課題が山積している．それら課題克服に向けた共同研究もすでに遂行しており，その学内外における研究室との連携を強化することで，本研究目的の達成に向けて研究を遂行していく．
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| Strategy for Future Research Activity |
手順としてはノンドープMg2Siのターゲットを作成し，それをスパッタ装置によりSi基板に蒸着して，基板と熱電材料との界面の状態を電子顕微鏡観察したり，その薄膜の熱起電力測定を実施した．新しい研究の方向性を模索しながらの研究内容であったが，順調な実
験の解析結果が得られており，今後もその研究を発展させることになる．
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| Causes of Carryover |
研究は、当初の研究計画に基づいて遂行してきたが、コロナ感染症の影響により一部出張を伴う実験が予定通り実施できず、該当する予算を次年度に繰り越すこととなった。
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Research Products
(1 results)
