重い電子系を利用した革新的熱電デバイスの創製

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18609
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: 松波 雅治 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30415301)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 重い電子系 / 熱電材料

Outline of Annual Research Achievements

本研究は重い電子系の特性を活かした革新的熱電デバイスの創製に挑戦するものである．重い電子系は高い熱電出力因子が得られるにも拘わらず熱伝導度の低減が困難なために熱電材料としての実用化は進んでいない．この現状に対する逆転の発想として，本研究では熱伝導度が影響しない熱電デバイスに重い電子系の熱電特性を最適化することにより，既存の材料を凌駕する性能を有する熱電デバイスを開発することを目標としている．
本年度も引き続き新しい重い電子系熱電デバイスの候補物質となるYbB6の試料作製に取り組んだ． YbB6においてはYbとBを化学量論比から僅かにずらすことによって極性を制御できることが知られており，様々な熱電デバイスへの応用が期待できるが，その詳しいメカニズムはよくわかっていない．これを理解するためには，組成比を制御したYbB6試料の高品質な単結晶を作製し，その熱電特性を基礎物性や電子構造と関連付けて調べる必要がある．昨年度は浮遊帯域溶融法を用いたが，今年度は組成比を制御するためにフラックス法を用いた単結晶の作製を進めた．
単結晶試料YbB6+xの作製については，Yb，BとフラックスであるAlを3種類の組成比（x = -1.1, -0.7, 0）で秤量した．これらをアルミナ製のるつぼに入れて，高温真空炉で7時間かけて室温から1500 ℃まで昇温し，1日保った後に1時間当たり5 ℃で降温し，800 ℃以下では自然冷却した．その後， NaOH水溶液でフラックスを溶かすことで試料を得た．試料の評価はX線回折とラウエ回折を用いて行い，その結果としてYbB6+xの単結晶が作製できていることを確認した．これらの試料を用いた熱電特性測定の結果として，特にx=-0.7の試料においては，大きな負のゼーベック係数を示すことがわかり，出力因子は実用化されている熱電材料Bi-Te系のものに匹敵する値を示した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り，新しい熱電デバイスの候補物質YbB6の組成を制御した単結晶試料の作製に成功した．昨年度用いた浮遊帯域溶融溶融（FZ）法とは異なり，申請者の研究室において新たに立ち上げた高温真空電気炉を用いたAlフラックス法によってYb/B組成を精密に制御した単結晶の作製に成功した． 現状ではn型試料だけが得られているが，同様の方法で条件の最適化を進めることでp型の試料も得られる目処が立っている．

Strategy for Future Research Activity

昨年度から引き続き組成を制御したYbB6の多結晶・単結晶試料の作製に取り組む．現状で得られているn型試料に加えてp型試料が得られ次第，結晶構造，組成分析，熱電特性，磁性，電子構造などの測定を行うことで，組成比と熱電特性を対応づけその起源を解明する．ここでは，今までに行われていない極低温4 Kから1000 Kまでの非常に広い温度範囲にわたる熱電特性の測定を行うことを計画している．また角度分解光電子分光を用いて，僅かな組成のずれによる電子構造・バンド構造の微細な変化を詳細に計測する．
その後，これらを連結する，あるいは結晶育成中に組成を連続的に制御するといった方策を行い，熱電池としてどの程度の性能を示すかについて詳しく調査する．

Causes of Carryover

年明けに装置の不具合が生じたために，修理費等を見込んで研究費使用を抑制したために次年度使用額が生じた．本来，2022年度に使用する予定だった物品を2023年度に合わせて購入するため，2023年度末で計画と合う予定である．