2014 Fiscal Year Annual Research Report
微細電子構造に起因する異常電子熱伝導度の制御指針の構築と高性能熱流制御材料の創製
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26289236
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
竹内 恒博 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱ダイオード / 熱整流 / 準結晶 / 電子熱伝導度 / ビーデマン・フランツ則 / 熱マネージメント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱整流材料の高性能化には，熱伝導度の温度依存性が顕著な材料を利用することが必要である．特に，昇温に伴い熱伝導度が著しく増大する材料は希有であり,本研究で用いたAl基準結晶が熱整流材料の構成要素として極めて優れていると言える．Al-Cu-Fe準結晶は『準周期性』と『フェルミ準位における狭くて深い擬ギャップ』の相乗効果により，高温で著しく電子熱伝導度が増大する特徴を有する．本研究を実施する以前に, κ1000K/κ300K が約9にも達する最適組成（最適電子濃度）を明らかにしていた．平成２６年度に実施した研究では，電子熱伝導度の特徴を維持したまま格子熱伝導度を低減させることで，κ1000K/κ300K の値を大きくすることを試みた．この目的を達成するために，Feの一部をReで置換した．この置換により，波長の長い音響フォノンが散乱されやすくなると予想される．また，Reは熱力学的安定な準結晶の構成要素として知られていることから，ReによるFeの部分置換は，異常電子熱伝導度を生み出す擬ギャップの構造を変調させないと考えた．
Reの置換可能濃度を調べたところ，極わずか（0.5at.%）であることがわかった．極わずかではあるものの，Reの質量がFeの約3.3倍であることに起因して，格子熱伝導度が著しく低減できることがわかった．0.5at.%Reを含有する試料の格子熱伝導度は，Reを含有しない試料の60%程度になっており，結果的に．κ1000K/κ300K の値として約11を得ることに成功した．さらに，この試料を用いることで，熱整流比の実測値としてTRR=2.27（TH=900K, TL~300K）を示す熱整流材料の開発に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画では．(1)異常電子熱伝導度を最適化する指針の構築, (2)熱ダイオードに利用可能な材料系の選定，(3) 電子構造測 定と精密物性測定による指針の正当性の検証を行う予定であった．
(1)に関しては，Al-Cu-Fe準結晶で観測される熱伝導度の異常がフェルミ準位近傍の微細電子構造に起因することを証明する実験結果を得た．具体的には，FeをReで部分置換することで，電子熱伝導度に影響を与えずに格子熱伝導度のみを低減させ，予測した熱伝導度の変化を実験的に確認した．Al-Cu-Fe準結晶を用いた熱整流材料を高性能化するためには，格子熱伝導度をさらに低減させる，あるいは，擬ギャップの形状を調整する必要があることがわかった．後者を行うことは難しいが，前者であればRe以外の重元素を転化することで対応可能であることから，平成27年度に確認する予定である．
(2)に関しては，Ag2Ch(Ch = Te, Se, S)の評価を行い，比較的狭い温度領域で熱伝導度が数倍変化する試料を作製することに成功した．この試料を用いることで，10K程度の温度範囲でTRR>1.8を示す熱整流材料を作製することに成功した．Ag2Ch(Ch = Te, Se, S)において観測される熱伝導度の異常な温度依存性の支配因子は未だ解明できていないことから，平成27年度にはその解明を行いたいと考えている．
(3)に関しては，予定通り，熱伝導度測定装置を導入して，様々な材料の熱伝導度を正確に測定できる環境を構築した．また，導入した装置を用いて，Al基準結晶，デバイ温度野高い絶縁体，相変態を伴う材料群の熱伝導度を正確に決定する研究を実施している．現状では熱拡散率の測定は概ね正確にできるようになったことから，今後，DSCを用いた比熱測定を併用することで，より制度の高い物性測定ができると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度には，『(1)異常電子熱伝導度を最適化する指針の構築』, 『(2)熱ダイオードに利用可能な材料系の選定』，『(3) 電子構造測 定と精密物性測定による指針の正当性の検証』を引き続き行うとともに，応用に向けて，『(4) 構築した指針に基づく高性能熱ダイオードの作製』および『(5)高性能熱ダイオードを用いた実用的な熱流制御デバイスの試作』を実施する予定である．
(1)および(2)において選定した材料（異常電子熱伝導度により昇温に伴い熱伝導度が増大する材料）と格子熱伝導度により熱伝導度が低下する材料を用いて，熱ダイオードを作製する．後者に関しては，デバイ温度が高い絶縁体として，Al2O3, Si, Ge, CuGaTe2, Ag2Ch (Ch = Te, Se, S)などを選定済みである．これらの材料をAl基準結晶などの昇温に伴い熱伝導度が増大する材料と複合化する．２つの材料を複合化する際に界面抵抗を小さくすることが極めて重要であることがわかっていることから，SPS焼結装置を駆使することで，界面を化学的に結合させ，界面の抵抗をできるだけ小さくする予定である．
熱流の測定には，自作の評価装置を利用する．現状で，低温端をほぼ室温に，高温端を最大900Kまで上昇させることができ，かつ，真空下において測定を可能である．この測定装置を利用して，作製した熱ダイオードの性能を評価する．現状で熱整流比TRR= 2.27を示す素子を開発することに成功していることから，TRR>3を示す素子の創製を目指す．
さらに，新たに作製した高性能熱整流材料を用いて熱交換器の表面をコートした一方向伝熱素子，熱電材料および蓄熱材料と熱整流材料を組み合わせた高効率廃熱発電素子，③水冷およびヒーター加熱による温度勾配制御機構を備える熱流スイッチング素子などを試作する予定である．
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