2023 Fiscal Year Research-status Report
スクッテルダイト型硫化物の局所構造と熱電特性の関係の解明
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23K13548
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
橋國 克明 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 助教 (70907774)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 熱電変換 / 熱電物性 / 硫化物 / スクッテルダイト / 局所構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる熱電変換技術は，エネルギー利用効率を高める手段の一つである。本研究では，環境低負荷で低毒性な元素である硫黄を主成分とし，特徴的な結晶構造を持つCo2Ge3S3が高い熱電性能を示すことに着目し，その起源と考えられる局所構造の形状と熱電特性の関係を明らかにする。本年度は，母相となるCo2Ge3S3の合成方法の確立と，その熱電物性評価を行った。また，局所構造の形状の変化を目的として，Geサイトに対するSi, Sn置換やSサイトに対するTe置換した試料の合成を目指した。結果として，下記の成果が得られた。
1. 粒状と粉末状のGe原料をそれぞれ出発原料としてCo2Ge3S3を合成した結果，熱電特性に大きな差が生じることが判った。具体的には，前者の電気伝導率は後者に比べて2桁程度高く，ゼーベック係数と熱伝導率にほとんど違いはなかった。この電気伝導率の違いは，移動度の違いに依ることを明らかにした。
2. 走査型電子顕微鏡により1で合成した試料の破断面を観察した結果，粒状のGe原料を出発原料として合成した試料では界面がほとんど見えなかったが，粉末状のGe原料を出発原料として合成した試料では界面がはっきりと見え，粒径が数μmと小さいことが判った。これらのことから，微細構造の差が移動度に大きな影響を与えたと考えられる。
3. Co2Ge3S3のGeサイトに対してSi, Sn置換を試みたが，大量の不純物が析出し合成できなかった。また，同様にSサイトに対してTe置換を試みたが，Co2Ge3S3とCo2Ge3Te3に完全に分離した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，Co2Ge3S3が持つ局所構造であるGe2S2-ringの形状が熱電特性に与える影響を明らかにすることを目的とする。本年度は，母相であるCo2Ge3S3の合成条件を確立し，その熱電性能を評価した。また，申請者はGe2S2-ringのS-Ge-Sの角度はGeおよびSのイオン半径によって決まると予想しており，Geサイトに対するSi, Sn置換，Sサイトに対するTe置換を試みた。しかしながら，いずれの置換試料も合成できなかった。これらのことから，当初の計画よりやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
従来手法ではCo2Ge3S3のGeサイトやSサイトを同族元素で置換できないことが判ったため，メカニカルアロイングなどの非平衡相の合成に向いた手法を用いて合成を試みる。また，Co2Ge3S3と同じ結晶構造であるCo2Ge3Se3やCo2Ge3Te3に対象を広げて，Geサイトの元素置換を試みる。得られた試料の結晶構造と熱電特性を調べ，Q-Ge-Q (Q = S, Se, Te)の角度と熱電特性の関係を調べる。
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| Causes of Carryover |
申請者の異動に伴い，研究を継続するために必要な実験環境を新しい所属先に構築する必要が生じることが判明した。国際学会のための旅費が当初の計画より安価であったため，その浮いた費用を次年度使用額とし，実験環境構築のための予算として使用することを計画している。
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