2021 Fiscal Year Research-status Report
Creation of Clathrate Hybrid Thermoelectric Materials for Effective Utilization of Unused Heat
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20K05136
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
阿武 宏明 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60279106)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 未利用熱有効利用 / 熱電変換 / クラスレート / 半導体 / ハイブリッド / ナノ界面 / 密度汎関数理論 / エネルギーフィルタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)クラスレート半導体の熱電物性の計算科学的手法による理解と探索
従来に検討されていない元素に注目してゼーベック係数向上につながるドーピング元素の探索を行った。いくつかの元素を候補にクラスレートのホストを部分置換した場合の電子構造を密度汎関数理論(DFT)に基づいて計算した。候補置換元素の中で、不純物レベルに由来する電子状態密度の増大の有無、DOS増強がある場合には化学ポテンシャル(キャリアチューニング)共鳴が可能かどうかを調査した。実施した中で顕著な電子構造の変化が示唆される置換元素が発見されたので、元素置換による熱電特性（高温領域含む）への効果など詳細な解析、加えて置換元素を拡張した調査を今後（R４年度）も継続して実施していくこととした。
(2)ミスフィットを導入した新規クラスレート・ハイブリッド熱電材料の創製
高い出力因子が見込める材料Mを対象にクラスレート/M/クラスレートのミスフィット界面モデルに対して非平衡グリーン関数(NEGF)法を活用したDFT計算（NEGF-DFT）よる熱電係数のシミュレーションを実施した。クラスレートの種類、材料Mの種類、その組み合わせについての検討を前年度に引き続き実施した。前年度に実施したクラスレート/M/クラスレートのナノ界面構造において、熱電性能向上の可能性が示唆された材料Mのひとつを対象として、実験的に検証するためにクラスレート/Mのナノコンポジットの作製に取り組んだ。クラスレートとMの混合物を遊星ボールミル法により微細化して得た粉末を放電プラズマ焼結する方法で試料を作製し、熱電特性を調査した。その結果を踏まえて引き続きプロセス条件やMの最適な条件を検討することとした。
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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
新型コロナウイルス感染症への対応により引き続き研究室での活動が制限された。その影響が研究の遂行にすくなからずあったが概ね研究は進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)クラスレート半導体の熱電物性の計算科学的手法による理解と探索
(1a)ドナー・アクセプタ同時ドーピング: ドナー・アクセプタ同時ドーピング試料の粉末X線回折リートベルト解析を実施し、結晶構造の詳細を明らかにする。得られた解析データを基に結晶構造モデルを設定し密度汎関数理論(DFT)による電子構造計算を実施して構造の安定性や電子構造、輸送特性を調査する。
(1b)共鳴効果を発現する元素ドーピング: 新たな観点としてゼーベック係数向上につながるドーピング元素の検討を行う。DFT計算によって、ドーピング元素の候補を検討し、候補置換元素の中で、不純物レベルに由来する電子状態密度の増大の有無、DOS増強がある場合に化学ポテンシャル(キャリアチューニング)共鳴が可能かどうか、探索する。
(2)ミスフィットを導入した新規クラスレート・ハイブリッド熱電材料の創製
(2a) エネルギーフィルタリング効果とフォノンブロッキング効果を相乗的に発現する構造設計: クラスレート/M/クラスレートのナノ界面モデルにおいて、クラスレートの種類、Mの種類、その組み合わせを変えて、非平衡グリーン関数(NEGF)法を活用したDFT計算による熱電係数のシミュレーションを実施する。これにより高い熱電性能が発現する材料Mを同定、ミスフィット界面構造に対する依存性、材料物性に対する依存性を調査・考察し、重要な制御因子と機構を明らかにする。
(2b) ナノ物質系ハイブリッドによるミスフィット界面の導入およびそのプロセス開発、物性評価: ナノ物質系からなる界面導入およびハイブリッド化プロセス法として遊星ボールミルと放電プラズマ焼結法を活用してクラスレートハイブリッドの作製を行い、そのプロセス条件を見出す。さらに、作製した試料の組成・組織構造等の観察・評価・解析、熱電物性の評価・解析等を実施して実験的検証を進める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症への対応に伴う研究活動の制限、学会参加等の出張はすべて中止、などが理由である。
R4年度においても新型コロナウイルス感染症の状況によるが、学会参加等の出張を中止とした場合、物品費やその他の項目に変更し有効に活用し適切に対応する予定である。
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