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2011 Fiscal Year Annual Research Report

電子構造とフォノン分散を考慮した熱電材料設計指針の構築と高性能熱電材料の創製

Research Project

Project/Area Number 23360278
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

竹内 恒博  名古屋大学, エコトピア科学研究所, 准教授 (00293655)

Keywords熱電材料 / 格子熱伝導度 / 電子構造 / 第一原理計算 / 熱電物性 / フォノン散乱 / 電気伝導度 / ゼーベック係数
Research Abstract

熱電材料の性能は無次元性能指数ZT=S^2σT/(κ_<lat>+κ_<el>)で評価される.ここで,S,σ,κ_<lat>,κ_<el>は,それぞれ,ゼーベック係数,電気伝導度,格子熱伝導度,および,電子熱伝導度である.互いに相関するこれらの物理量を,他に影響を与えずに個別に制御することは難しいと考えられてきた.S,σ,κ_<lat>,κ_<el>を個別に制御する指針を構築し,構築した指針に基づき高性能熱電材料を開発することが本研究の目的である.今年度に実施した研究では,電気的な性質(S,σ,κ_<el>)は優れているが,格子熱伝導度κ_<lat>が大きいが故に実用化に至っていない材料((1)Si_2Ti型構造を有するAl-Mn-Si系合金と(2)Fe_2VAl系ホイスラー合金)を研究対象物質として選定した.いずれの材料も軽元素で構成されることから,構成元素を部分置換することで,フォノンの不純物散乱が増大し,格子熱伝導度が著しく低減されると予想した.また,これらの材料では室温以上における電気伝導度の温度依存性が弱く,電子の平均自由行程が十分に短くなっており,元素の部分置換による平均自由行程への影響は小さいと考えた.この状況下において,フェルミ準位近傍に置換元素により不純物準位が生み出されなければ,優れた電気的性質を維持したまま,格子熱伝導度のみを低減することができ,結果として,大きなZTが得られると判断した.この考え方に基づき,第一原理計算を駆使することで,対象物質の電子構造を詳細に調べ,適切な置換元素を特定した.さらに,特定した置換元素を用いて,構成元素を部分置換した試料を作製したところ,(1)Si_2Ti型構造を有するAl-Mn-Si系合金では,ZTを約4倍まで増大させることに成功し,(2)Fe_2VAl系ホイスラー合金では,約6倍に増大させることに成功した.いずれの材料も,ZT>0.25を示しつつ,かつ,耐酸化性に優れている.また,材料費が既存材料の1/10以下であることを考慮すると,十分に実用化可能な材料にすることができたと考えている.現在,さらなる性能の向上を目指して多層膜試料の作製を進めている.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度の研究において,フォノン散乱における不純物元素の質量依存性を明らかにすることができた.また,これまでに培ってきた電子構造と電子物性の関係に関する知見と,今年度に実施したに礎研究の成果を用いて,熱電材料の性能を向上させる指針を高度化した.高度化した指針に基づき,実際に試料を作製することで,指針が正しいことを証明できたと考えている.また,最も重要な因子である超格子構造により誘起されるフォノン分散変調効果を利用した格子熱伝導度低減機構の解明と,それを利用した高性能熱電材料の創成についても研究を進めている.これまでに,幾つかの熱電材料に対してエピタキシャル成長した薄膜を作製することに成功しており,平成24年度以降に実施する研究により,十分な成果を報告できると考えている.

Strategy for Future Research Activity

本研究は,当初の計画通り順調に推移しており,現状において問題は発生していない.平成24年度には多層膜超格子構造の薄膜を制御し,格子熱伝導度低減機構を解明し,その制御指針を構築するとともに,指針を用いて性能の高い熱電材料を創成できると考えている.

  • Research Products

    (39 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (28 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] 金属と半導体の熱物性の基礎理論第三回:格子熱伝導度とフォノン分散2012

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Journal Title

      日本熱電学会誌

      Volume: 8(3) Pages: 27-31

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fe_2VA1の電子構造と熱電物性における重元素部分置換効果2012

    • Author(s)
      寺澤佑一, 三上祐史, 伊藤孝至, 竹内恒博
    • Journal Title

      日本金属学会誌

      Volume: 76(3) Pages: 216-221

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Effects of Heavy Element Substitution on Electric Structure and Lattice Thermal Conductivity of Fe_2VA1 Thermoelectric Material2012

    • Author(s)
      Yu-ichi Terazawa, Masashi Mikami, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: (印刷中)

    • DOI

      doi:10.1007/s11664-011-1862-z

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 金属と半導体の熱物性の基礎理論第一回:熟電物性基礎理論と金属・半導体電子論の利用に関する問題点2011

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Journal Title

      日本熱電学会誌

      Volume: 8(1) Pages: 17-23

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 金属と半導体の熱物性の基礎理論第二回:線形応答理論を用いた電子物性の定量解析2011

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Journal Title

      日本熱電学会誌

      Volume: 8(2) Pages: 18-23

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of thermal rectifier usable at high temperature2011

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi, Hiroki Goto, Yasuhiro Toyama, Takashi Itoh, Masashi Mikami
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40(5) Pages: 1129-1135

    • DOI

      10.1007/s11664-011-1556-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermoelectric properties of Si_2Ti-type Al-(Mn, Cr, Fe)-Si alloys2011

    • Author(s)
      Yasuhiro Toyama, Hirofumi Hazama, Ryoji Asahi, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40(5) Pages: 1052-1056

    • DOI

      10.1007/s11664-011-1531-2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of Chemical potential on thermoelectric power of Bi_2Te_3 and Bi_2Se_32011

    • Author(s)
      Yasuhiro Toyama, Hirofumi Hazama, Ryoji Asahi, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 52(8) Pages: 1539-1545

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Improvement of thermoelectric properties for half-Heusler TiNiSn by interstitial Ni defects2011

    • Author(s)
      Hirofumi Hazama, Masato Matsubara, Ryoji Asahi, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 110 Pages: 063710(6)

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of Ru substitution for Mn in the Si_2Ti-type Al-Mn-Si alloy

    • Author(s)
      Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: (印刷中)

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 構成元素の部分置換によるAl-Mn-Si C54相熱電材料の物性改質2012

    • Author(s)
      山本晃生, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2012年春期大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-03-30
  • [Presentation] 電子構造解析に基づくFe_2VAl系熱電材料の高性能化2012

    • Author(s)
      寺澤佑一, 三上祐史, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2012年春期大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-03-30
  • [Presentation] フェルミ準位近傍の微細電子構造に起因する異常電子熱伝導度を利用した新規熱整流材料の開発2012

    • Author(s)
      中山隆介, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2012年春期大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-03-30
  • [Presentation] 熱電物性における散乱因子の役割2012

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会研究分科会第3回熱電変換材料研究会「熱電変換材料の性能向上にむけて」
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-29
  • [Presentation] 巨大ゼーベック係数を示すFeSb_2の高分解能角度分解光電子分光2012

    • Author(s)
      島田崇史, 竹内恒博
    • Organizer
      日本物理学会第67回年次大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-27
  • [Presentation] 電子構造とフォノン分散を考慮した熱電材料設計指針の構築2012

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      日本応用物理学会2012春季講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学早稲田キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] ウエアラブルデバイスの電源となる無害で高性能な熱電発電材料の開発2012

    • Author(s)
      竹内恒博, 一野祐介, 伊藤孝至
    • Organizer
      第2回6大学連携プロジェクト公開討論会
    • Place of Presentation
      大阪府豊中市千里ライフサイエンスセンター
    • Year and Date
      2012-03-01
  • [Presentation] FeSb_2の高分解能角度分解光電子分光2012

    • Author(s)
      島田崇史、小川古都、山本晃生、竹内恒博
    • Organizer
      第25回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • Place of Presentation
      佐賀県鳥栖市鳥栖市民文化会館・中央公民館
    • Year and Date
      2012-01-07
  • [Presentation] 準結晶熱整流材料の開発2011

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      第16回準結晶研究会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2011-12-14
  • [Presentation] Development of thermal rectifier using unusual electron thermal conductivity2011

    • Author(s)
      Ryu-suke Nakayama, Takashi Itoh, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      International Symposium on EcoTopia Science 2011
    • Place of Presentation
      Nagoya University
    • Year and Date
      2011-12-10
  • [Presentation] Thermoelectric properties of Si Ti-type Al-Mn-Ru-Si C54-phase2011

    • Author(s)
      Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      International Symposium on EcoTopia Science 2011
    • Place of Presentation
      Nagoya University
    • Year and Date
      2011-12-10
  • [Presentation] High-resolution angle resolved photoemission spectroscopy of FeSb_22011

    • Author(s)
      Takafumi Shimada, Koto Ogawa, Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      International Symposium on EcoTopia Science 2011
    • Place of Presentation
      Nagoya University
    • Year and Date
      2011-12-10
  • [Presentation] Effects of heavy element substitution on electric structure and lattice thermal conductivity of Fe thermoelectric materials2011

    • Author(s)
      Yu-ichi Terazawa, Masashi Mikami, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      International Symposium on EcoTopia Science 2011
    • Place of Presentation
      Nagoya University
    • Year and Date
      2011-12-10
  • [Presentation] FeSb_2の高分解能角度光電子分光2011

    • Author(s)
      島田崇史, 竹内恒博
    • Organizer
      UVSORユーザーズミーティング
    • Place of Presentation
      自然科学研究機構岡崎コンファレンスセンター
    • Year and Date
      2011-11-18
  • [Presentation] Effects of Ru substitution for Mn in the Si_2Ti-type Al-Mn-Si alloy2011

    • Author(s)
      Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      JSPS-CNRS Japan France Joint Seminar
    • Place of Presentation
      愛知県名古屋市Wincあいち
    • Year and Date
      2011-11-10
  • [Presentation] Fe_2VAlの電子構造と熱電物性における重元素部分置換効果2011

    • Author(s)
      寺澤佑一, 三上祐史, 伊藤孝至, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期(第149回)大会
    • Place of Presentation
      沖縄県宜野湾市カルチャーリゾートフェストーネ
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] Al-Mn-Ru-Si系C54相の熱電物性2011

    • Author(s)
      山本晃生, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期(第149回)大会
    • Place of Presentation
      沖縄県宜野湾市カルチャーリゾートフェストーネ
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] Effects of Heavy Element Substitution on Electronic Structure and Lattice Therm al Conductivity of Fe_2VAl-based Alloys2011

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      JSPS-CNRS Japan France Joint Seminar
    • Place of Presentation
      愛知県名古屋市Wincあいち(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] 擬ギャップにより特徴づけられる準結晶と近似結晶の異常電子物性2011

    • Author(s)
      竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期(第149回)大会
    • Place of Presentation
      沖縄県宜野湾市カルチャーリゾートフェストーネ(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-07
  • [Presentation] フェルミ準位近傍の微細電子構造に起因する異常電子熱伝導度を利用した熱流制御材料の開発2011

    • Author(s)
      中山隆介, 竹内恒博
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期(第149回)大会
    • Place of Presentation
      沖縄県宜野湾市カルチャーリゾートフェストーネ
    • Year and Date
      2011-11-07
  • [Presentation] FeSb_2の高分解能角度分解光電子分光-巨大熱電能発現における電子構造の役割-2011

    • Author(s)
      島田崇史, 小川古都, 山本晃生, 竹内恒博
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      富山大学五福キャンパス
    • Year and Date
      2011-09-22
  • [Presentation] 室温以上で動作する熱整流材料の創製2011

    • Author(s)
      竹内恒博, 中山隆介
    • Organizer
      第八回日本熱電学会学術講演会(TSJ2011)
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2011-08-09
  • [Presentation] Al-Mn-Ru-Si系C54相の熱電物性2011

    • Author(s)
      山本晃生、竹内恒博
    • Organizer
      第八回日本熱電学会学術講演会(TSJ2011)
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2011-08-08
  • [Presentation] Fe_2VAlの電子構造と熱電物性における重元素部分置換効果2011

    • Author(s)
      寺澤佑一、三上祐史、竹内恒博
    • Organizer
      第八回日本熱電学会学術講演会(TSJ2011)
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2011-08-08
  • [Presentation] Condition of electronic structure for practical thermoelectric materials2011

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      The 30th International Conference on Thermoelectrics
    • Place of Presentation
      Grand Traverse Resort and Spa, Traverse City, Michigan, USA(招待講演)
    • Year and Date
      2011-07-21
  • [Presentation] The effects of heavy element substitution on electric structure and lattice thermal conductivity of Fe_2VAl thermoelectric material2011

    • Author(s)
      Yuichi Terazawa, Masashi Mikami, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      The 30th International Conference on Thermoelectrics
    • Place of Presentation
      Grand Traverse Resort and Spa, Traverse City, Michigan, USA
    • Year and Date
      2011-07-18
  • [Presentation] Effects of Ru substitution for Mn in the Si_2Ti-type Al-Mn-Si alloy2011

    • Author(s)
      Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      The 30th International Conference on Thermoelectrics
    • Place of Presentation
      Grand Traverse Resort and Spa, Traverse City, Michigan, USA
    • Year and Date
      2011-07-18
  • [Presentation] Development of Thermal Rectifier Utilizing the Narrow Pseudogap at the Fermi Level2011

    • Author(s)
      Tsunehiro Takeuchi
    • Organizer
      The 6th Asian International Workshop on Quasicrystals
    • Place of Presentation
      Seoul National University, Seoul, Korea(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-02
  • [Book] 熱電変換技術の基礎と応用-クリーンなエネルギー社会を目指して-第2章第5節フォノン分散の特徴から理解される格子熱伝導度低減機構2011

    • Author(s)
      竹内恒博, 他名
    • Total Pages
      38-47(10)
    • Publisher
      株式会社シーエムシー出版

URL: 

Published: 2013-06-26  

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