• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

高性能な酸化物熱電材料の開発に向けた複合カチオンエンジニアリングの構築

研究課題

研究課題/領域番号 20H02443
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分26020:無機材料および物性関連
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

萩原 学  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30706750)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2020年度: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円)
キーワード熱電変換材料 / セラミックス / 複合カチオン / ペロブスカイト / 熱電変換 / 複合イオン / 熱伝導
研究開始時の研究の概要

酸化物熱電変換材料の実用化に向けて、300 ℃前後の中温域での熱伝導率の大幅な低減が不可欠である。本研究では結晶学的に等価なサイトを価数の異なる2種類のカチオンが占めた「複合カチオン」を利用したフォノン散乱の増強により、材料の電気伝導性を保ちつつ熱伝導を抑制する。液相合成法を駆使した材料探索と逆モンテカルロ法を用いた局所構造解析によって複合カチオンエンジニアリングに基づく熱電変換材料の設計指針を構築し、中温から高温にかけての幅広い温度域で優れた熱電特性を示す材料を創製する。

研究成果の概要

本研究では、酸化物熱電材料の熱伝導率の低減を目的とし、ペロブスカイト型酸化物CaMnO3とSrTiO3のCa2+およびSr2+サイトを価数の異なる2種類のカチオンからなる「複合カチオン」で置換する手法を採用した。CaMnO3系についてはCa2+の10%をGd3+とNa+からなる複合カチオンで置換することで熱伝導率が大きく低減するとともに高いパワファクターが得られ、無次元性能指数ZTが大きく向上した。SrTiO3のSr2+の全てをLa3+とNa+からなる複合カチオンで置換した化合物については、グレインサイズを増大させることで高い電気伝導率と低い熱伝導率の両立が可能であることがわかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでに酸化物熱電材料の熱伝導率を低減する手法として、主にはグレインの微細化や第二相との複合化によるフォノン散乱の増強が試みられてきたが、これらの”extrinsic”な効果は微細構造や組成のわずかな変化に強く影響されてしまうことが問題であった。本研究で実証した複合カチオンの導入による熱伝導率の低減は結晶化学に基づく”intrinsic”な効果であり、グレインサイズ等の微細構造の変化に依存しない。したがって本研究の成果は酸化物系熱電変換素子の実現に向けた材料設計の幅を大きく拡大することを可能とするものである。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Influence of local crystal structure and grain size on electronic transport properties of (La<sub>1/2</sub>K<sub>1/2</sub>)TiO<sub>3</sub>-based thermoelectric ceramics2023

    • 著者名/発表者名
      Sakuraba Shugo、Fujihara Shinobu、Hagiwara Manabu
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 131 号: 7 ページ: 216-222

    • DOI

      10.2109/jcersj2.22166

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2023-07-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of dual doping by rare-earth and sodium ions on thermoelectric properties of CaMnO<sub>3</sub> ceramics2022

    • 著者名/発表者名
      Ogawa Ryusei、Fujihara Shinobu、Hagiwara Manabu
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 130 号: 7 ページ: 403-409

    • DOI

      10.2109/jcersj2.21191

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2022-07-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ni-doping effect on thermoelectric properties of c-axis-oriented CuFeO2 ceramics2022

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara, M.Tato, D. Shiojiri, T. Iida, and S. Fujihara
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 905 ページ: 164192-164192

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2022.164192

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Nbドープ(La1/2K1/2)TiO3セラミックスにおける局所構造の解析と粒界抵抗の制御2023

    • 著者名/発表者名
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 熱電変換応用を指向した(La1/2K1/2)TiO3系セラミックスの結晶構造解析とプロセスの設計2022

    • 著者名/発表者名
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 熱電変換応用に向けた(La1/2K1/2)TiO3系セラミックスの作製と結晶構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      櫻庭 秀悟、藤原 忍、萩原 学
    • 学会等名
      第42回電子材料研究討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 希土類およびナトリウムイオンをデュアルドープした熱電変換用CaMnO3セラミックスの作製2021

    • 著者名/発表者名
      小川竜生、萩原学、藤原忍
    • 学会等名
      第41回電子材料研究討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of grain-oriented thermoelectric ceramics using hydroxide templates2021

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara、Masahiko Tato、Rina Shimonishi、Shinobu Fujihara
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Caサイトを複合カチオンで部分置換した熱電変換用CaMnO3セラミックスの作製2021

    • 著者名/発表者名
      小川竜生、萩原学、藤原忍
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2020年年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2025-01-30  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi