2016 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 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / 組織制御 / キャリア密度 / フォノン散乱 / ボールミル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度までに，高エネルギーボールミリングにより過飽和のホウ素をシリコン中に固溶させるための条件を確立し，さらに焼結の過程でホウ化シリコン化合物粒子を微細に分散させることに成功した．本年度は，これらの試料に対しホール効果測定を精密に行った．また，ホウ化シリコン化合物粒子のサイズを定量化した．その結果，1000°Cで10min焼結を行うと最も微細な粒子が分散すること，また，この条件の試料は最も高いキャリア濃度を有し，その濃度は平衡状態図で報告されている固溶度から理論的に導かれるキャリア濃度よりも高いことが分かった．ホウ化シリコン化合物粒子のサイズから，Gibbs-Thomson効果の理論式に照らしてホウ素の固溶度の増大を見積もると 20-30%程度の増大が見込まれる．従って，実験結果は，Gibbs-Thomson効果による固溶度の増大の可能性を示唆するといえる．また，熱伝導率はシリコンに対し著しい低下が見られた．
フェーズフィールド法による相形成シミュレーションによりMg2Si中のSiの析出粒子がアイゲン歪下ではレンズ状となることが示唆された．このことは，歪により析出物の形状が制御されることを意味する．母相と析出物の界面積は析出物の形状に依存し，この異相界面積は材料中の輸送特性に大きく影響すると考えられるため，本結果は材料のナノ構造制御により熱電特性を最適化する上で大きい意義がある．
また，シリコン中にナノ構造を導入するための新たな手法を試みた．一つは，高エネルギーボールミル装置を用いて Si と Al2O3 をミリングした後，焼結する方法，もう一つは，予め Al ナノ粒子を酸化し Boehmite のナノファイバーを合成し，ボールミル装置を用いて Si と混合した後，焼結する方法である．いずれの方法で得られた試料においても，Si-Al2O3 ナノ複合組織が確認された．
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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
当初計画していたバルク熱電材料のナノ構造制御，その特性への影響の解明について順調に進捗している．この中で，ナノ構造化によりキャリア濃度が平衡状態図から予想される以上に高くなる可能性を示唆する大変興味深い結果も得られた．さらに，本研究を遂行していく過程で，熱電材料のナノ構造化の方法としてこれまで取り組んできた手法に加え，新たなプロセスが可能であることが明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで得られた，バルク熱電材料のナノ構造制御，その特性への影響の解明の部分に対し，より精密な測定，観察，議論を行う．これらの結果は，投稿論文として発表する予定である．また，熱電材料のナノ構造化の方法としてこれまで取り組んできた手法に加え，新たなプロセスが可能であることが明らかになったため，そのプロセスで作製された試料の特性測定を行い，ナノ構造との関連について議論を深めたい．その上で，バルク熱電材料中のナノ構造と熱電特性の関わりを体系的に明らかにする．
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| Causes of Carryover |
本年度は，ナノ構造の制御とその特性への影響を調べるにあたり，ナノ構造の制御法については予定よりも早くまとまった結果が得られた．その分，試料の測定や解析を重点的に行なった．その結果，試料を作製するための消耗品の購入が予定よりも少なかった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は，本年度にやり残した解析 (ナノ構造の定量解析) と，本年度新たに得られた新しいナノ構造導入法で作製した試料の構造制御，測定，解析を行う．前者，後者ともに，予算は，主として材料作製のための消耗品購入及び人件費 (謝金) に充てる予定である．
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| Remarks |
研究者が主宰する研究室のホームページであり，研究の動向を掲載している．
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