2015 Fiscal Year Annual Research Report
アルカリ金属を含む多元系ジントル化合物の合成と熱電材料への応用
| Project/Area Number |
26288105
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
山田 高広 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10358260)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 熱電材料 / ジントル化合物 / 結晶構造 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，初年度に見出した高いn型の熱電特性を有するNa-Ga-Sn系化合物(NaGaSn2)の特性向上を目指した研究を行った．その結果，化学両論比よりもNa及びGaに富む組成の固溶体の合成に成功し，その焼結体の熱電特性は化学両論比の試料よりも優れていることを見出した．最も特性の高い焼結体試料の無次元性能指数ZTは室温で0.98であり，実用材料であるBi2Te3系化合物の値とほぼ同等であった．
前年度に見出した Na-Al-Sn系の新規化合物の結晶構造を，単結晶X線回折を用いた精密構造解析より決定することができた．Na-Al-Sn系化合物は，Na-Ga-Sn系化合物と同型のトンネル構造で，トンネル内に位置するNaも大きなディスオーダーを有していた．このことから，Na-Al-Sn系化合物もNa-Ga-Sn系化合物と同様に低い熱伝導率を有し，高い熱電特性を示すことが期待された．固相反応法的な手法を用いることで，単相の焼結体試料を合成することにも成功し，その熱電特性を評価することができた．Na-Al-Sn系化合物の焼結体試料は，Na-Ga-Sn系化合物の試料よりも低い熱伝導率を示したが，電気伝導率が低く，室温～100℃のZTの値は0.15から0.21(n型)であった．今後，キャリアー濃度を調節することで，熱電特性の向上や，p型の熱電特性を発現させることが期待できる．
初年度にアルゴン雰囲気のグローブボックス内に構築した，ホットテディスクセンサーを用いた熱伝導率測定システムに，本年度は試料とセンサー部を均質に加熱するできる外部加熱機構を付加し，これまで室温のみで可能であった熱伝導率の測定温度領域を拡張することで，本研究で対象としている化合物の熱電特性の無次元性能指数をより広い温度域で求めることが可能となった．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の目的は，材料としての探索や評価が十分に行なわれていないアルカリ金属を含む多元系ジントル化合物を合成し，それらの熱電特性を評価することで，優れた性能を有する新規熱電材料の探索を行なうことである．これまでにトンネル構造を有するNa-Ga-Sn系及び新規のNa-Al-Sn系ジントル化合物の焼結体試料を作製し，それらの諸特性を評価することで，両者ともに格子熱伝導率が著しく低くく，熱電材料の母物質として高いポテンシャルを有することを明らかにすることができている．低い熱伝導率の原因は，両化合物の精密結晶構造解析の結果より，Ga(Al)とSnで形成されるトンネル内に位置するNaのディスオーダーに起因する可能性が高いことも指摘できた．これらの成果から，トンネル構造を有する化合物が熱電材料の新しい候補物質群となりうることを示せたと考えている．今後，同型または同類構造の化合物を対象とした研究から，高特性の熱電材料が開発されることが期待できる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに，Na-Ga-Sn系やNa-Al-Sn系のジントル化合物に焦点を絞って研究を行うことで，骨格構造内のトンネル空間にNa原子が大きなディスオーダーを伴って配置する結晶構造を有する化合物が，新たな高特性の熱電材料の候補物質群となることを示すことができた．本年度は，このトンネル構造（１次元）を有する物質群の開拓を進め，それらの結晶構造と熱電特性を明らかにすることを進めるだけでなく，研究対象とする化合物をトンネル構造以外の結晶構造を有する金属間化合物にまで広げ，それらの熱電特性と結晶構造を調べることで，新たな熱電材料の候補物質や物質群を見出すことに挑戦する．具体的には，孤立系のアニオンクラスターを含む化合物（０次元）や，層状のポリアニオンネットワーク（２次元）を有した化合物の熱電材料としての可能性を明らかにすることを目指し，主にNaと13族および14族元素で構成される金属間化合物を対象として物質・材料探索を行う．合成された化合物は，前年度までに整備した測定系を用いて熱電特性を明らかにするとともに，単結晶X線回折実験によって結晶構造を精密に決定する．特に，アニオンクラスターやポリアニオンネットワーク間に配置されるNaのディスオーダー（原子変異パラメーター）と化合物の熱伝導率に着目し，熱電特性と結晶構造の関連性を明らかにする．この化合物の熱電特性と結晶構造の理解を深めるために，計算化学により化合物の電子状態を類推するアプローチも取り入れて研究を進めていく．
|
Research Products
(16 results)
