2022 Fiscal Year Annual Research 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
クラスレート半導体におけるGa-PやCu-Pのドナー・アクセプタ同時ドーピング試料を合成し、結晶学的特性、および熱電特性を明らかにし、同時ドーピングにより熱電特性が改善されることを見出した。さらに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密度汎関数理論(DFT)に基づく電子構造計算により実施した。その中で顕著な電子構造の変化が示唆される置換元素Xの試料合成を行って、その熱電特性のX置換量依存性を明らかにした。このX元素置換により従来のp型クラスレートの熱電性能よりも高い値が得られ、X元素置換がp型の熱電性能の向上に効果のあることを実験的に明らかにした。
(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。その結果、クラスレート/M/クラスレートのナノ界面構造をバルクのクラスレートに導入すると熱電性能が向上できる可能性があることを示唆した。これを踏まえて、Si系クラスレートとGe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ハイブリッド試料Ge/Siクラスレートを作製し、熱電特性を調査した。Si系クラスレートと比べてGe/Si系クラスレートのゼーベック係数が増加する効果が見られた。この効果はポテンシャル障壁を仮定したボルツマン輸送モデルによる計算からも示唆された。
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