2015 Fiscal Year Annual Research Report
高エネルギー非平衡状態を利用した熱電材料のナノ構造化と新機能
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26289246
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
池田 輝之 茨城大学, 工学部, 教授 (40314421)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鵜殿 治彦 茨城大学, 工学部, 教授 (10282279)
太田 弘道 茨城大学, 工学部, 教授 (70168946)
永野 隆敏 茨城大学, 工学部, 講師 (70343621)
篠嶋 妥 茨城大学, 工学部, 教授 (80187137)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / 組織制御 / フォノン散乱 / 固溶度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコンの熱電材料としての実用化のためには，熱伝導率が高いこと，キャリア濃度の可変領域が低いことなどを克服しなければならない．そこで，熱伝導率の低下及びドーパント固溶度の増大をともに達成することを目的に，ドーパント元素のナノ粒子を Si 中に分散させる研究を行った．
ドーパントとして Sb，B を選び，メカニカルアロイングにより平衡固溶度よりも高い濃度のドーパントを Si 中に強制固溶させる実験を行った．ボールミルの過程でSbあるいはBのＸ線回折ピークの強度は低下し16h後には確認できなくなった．このことは，ドーパント元素のSi中への固溶の可能性を示唆する．粉末試料を放電プラズマ焼結法により固化し，キャリア濃度を測定したところ，焼結時間によっては平衡固溶度より高いキャリア濃度が確認された．これは，Gibbs-Thomson効果による固溶度の増大の可能性を示唆する．
Mg2Si に関しては，Bi を固溶度以上に添加すると大きい熱伝導率の低下が見られた．ナノ析出物によるフォノン散乱頻度増大の結果と見られる．また，フェーズフィールド法による Mg2Si 中の Si 析出のシミュレーションにより，アイゲン歪みのある場合，ラス状，ない場合は，球状の析出物となることが明らかになった．これは，歪みをかけることにより析出物の形態を制御できることを意味し熱電特性の最適化のために有用である．
また，材料の組成-材料組織，組成-熱伝導率の相関相関を効率よく調べるため，微小領域での熱拡散率の測定技術を広い領域 (cm オーダー) にわたり適用するための技術を開発し，PbTe-AgSbTe2 系傾斜組成試料の測定に初めて成功した．このようなハイスループット測定を行うバルク試料作製手法として，一方向凝固法ではなくマルチ拡散対を用いる技術も有用であることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までに，SiにBあるいはSbを添加し，高エネルギー非平衡状態を介するプロセスによりBあるいはSbとSiのナノコンポジット構造を導入することに成功した．キャリア濃度の測定では，平衡ドーパント濃度より高いキャリア濃度が測定され，Gibbs-Thomson効果による固溶度増大を示唆するデータを得た．これらは，当初の計画の通りである．また，フェーズフィールド法による組織形成シミュレーションにより，Mg2Si中のSi析出における形態制御の可能性を示唆する結果が得られた．さらに，Mg2Si と Si の界面状態の解明に向け第一原理計算を行い，界面近傍では，Mg2Si相とSi相のどちらも近づく方向に原子が移動することが分かった．これらの計算による研究の進行状況も概ね計画通りである．
また，熱物性と組織，組成との関連を効率よく測定する手法として，熱物性顕微鏡により局所的な熱伝導率を測定する手法の検討を行った．測定用のスパッタ皮膜調整の際に生ずる誤差を標準試料を用いて校正する方法を開発し組成分布を持った熱電材料の組成傾斜部の測定を行った．また，周期加熱放射測温法による分布測定についても検討を開始した．これは，今後，本研究の主たる対象物質にも利用し，効率的な研究の進捗に貢献すると見込まれる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後残る課題は，構造と熱電特性の関係をより定量的な形で示すことである．
熱伝導率と構造のサイズの関連を定量的なデータとして示す．また，Gibbs-Thomson効果による固溶度の増大を構造のサイズについてのデータとともに示す予定である．また，バンド構造に関わる測定データをとり，組織制御によるバンドギャップの制御の可能性について検討する．
これら，熱電特性と構造のサイズは本研究の主要な課題の一つであり，その中の熱物性に関し熱物性顕微鏡を広範囲に利用する手法を応用していく．その中の一環として，小角Ｘ線散乱法や透過電子顕微鏡観察も取り入れていく．
また，フェーズフィールド法によるシミュレーションで，歪みを与えることにより析出物を板状に制御することが可能であるという結果を得た．この点については，実験的に調べていきたい．
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| Causes of Carryover |
作業性の確保と雰囲気の清浄性の確保のため，高温焼結装置のチャンバーを購入する予定であった．試料作製及び特性測定を重ね，酸化等の影響は特に見られず，また，現在の石英管チャンバーのままでダイ中の温度分布の測定を行うことができ，作業性も特に問題ないと判断したため，チャンバーの購入は見送った．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本研究の主たる研究対象物質のうち，シリコンの熱電材料としての研究が学界で急激に活況を呈し始めた状況，及びシリコンで平衡固溶度を増大させられる可能性があるという興味深い結果が得られたことを鑑み，特にシリコンの研究を加速させる必要があると判断したため，研究補助者を雇用することにした．そのための人件費を拠出する．
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