| 研究課題/領域番号 |
23K04358
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 公益財団法人名古屋産業科学研究所 (2024)
名古屋工業大学 (2023) |
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研究代表者 |
西野 洋一 公益財団法人名古屋産業科学研究所, 研究部, 研究員 (50198488)
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| 研究分担者 |
宮崎 秀俊 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10548960)
井手 直樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60262945)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2026年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | ホイスラー合金 / 熱電変換材料 / 擬ギャップ / ゼーベック効果 / 相安定性 / 価電子濃度 / 熱伝導率 / 熱電変換 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
Fe2VAlやRu2TiSiのような擬ギャップ系ホイスラー化合物の価電子濃度はVEC=6.0であるが、元素部分置換や非化学量論組成を利用することでVECを制御して、相安定性と熱電性能の関連性を追究する。VEC制御により擬ギャップ内のフェルミ準位を最適化すると出力因子は増大するが、同時にVEC=6.0から外れるほど相安定性の低下に起因して(格子)熱伝導率が低減することを検証し、無次元性能指数ZT=0.6を目標にして熱電性能の向上を図る。
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| 研究実績の概要 |
価電子濃度VEC=6.0を有する擬ギャップ系ホイスラー化合物について、擬ギャップ内のフェルミ準位を最適化して相安定性の制御と熱電性能の向上を図った結果、以下の成果が得られた。
1. Ru2TiSiのRuをRhやIrで置換すると、電子ドープによりp型からn型にシフトする。Ru2-xMxTiSiにおいて、M = Rh (x = 0.06)のゼーベック係数は690 Kで-165 μV/K、M = Ir (x = 0.06)では780 Kで-160 μV/Kに達する。M = Rhの出力因子は700 Kで1.3×10-3 W/mK2、M = Ir は800 Kで2.2×10-3 W/mK2を示した。
2. Ti置換したFe2VAlにおけるX線非弾性散乱測定の結果、Ti置換量が多いほど光学フォノンが軟化することが明らかにされた。Ti置換によりフェルミ準位が擬ギャップの中心から剛体バンド的にシフトするため、電子系のエネルギー的不安定性を引き起こすことでフォノン軟化が生じる。元素置換によりフェルミ準位がシフトすると、ゼーベック係数や電気伝導率が増大すると同時に格子熱伝導率も低減する。
3. p型Fe2-xRexV1.08-yTiyAl0.92において、V/Al非化学量論組成により擬ギャップ電子構造が変化し、Re-Ti共置換によってフェルミ準位を制御すると、高い出力因子を維持しつつ低い熱伝導率が実現した。その結果、Fe1.94Re0.06V0.82Ti0.26Al0.92において400 KでZT = 0.24というp型での最高性能に達した。とくに格子熱伝導率は、Fe2VAlのFe、V、AlサイトをそれぞれRe、Ti、Vで多重置換すると300 Kで2.5 W/mKまで低下した。熱伝導率低減は、重元素Re置換によるフォノン散乱およびフェルミ準位シフトに起因するフォノン軟化との複合効果によるものである。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
Fe2VAlホイスラー化合物熱電材料では、n型に比べてp型の性能が低いことが実用上大きな問題点である。V/Al非化学量論組成合金にRe-Ti共置換することで、VEC制御により高い出力因子を維持したまま格子熱伝導率を大幅に低減した結果、p型Fe2VAlとして世界最高性能（無次元性能指数ZT = 0.24）を達成した。この成果をを含めて3報の論文発表を行い、さらに本研究課題に関連する共同研究の成果について、国際会議で7件、国内の学会で6件の講演発表も行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
1. 擬ギャップ系ホイスラー化合物において、元素部分置換だけでなく構成元素を化学量論組成からずらすことにより価電子濃度VECを制御することが可能である。VECの制御により出力因子が増大すると同時に格子熱伝導率も低減できるので、VECを制御した合金の相安定性と熱電性能の相関関係を追究する。
2. Fe2VAlやRu2TiSiのようなホイスラー化合物だけでなく、TiNiSnなどのハーフホイスラー化合物についても、VEC=6.0からずらすことで出力因子が増大すると同時に格子熱伝導率も低減できることを確認し、擬ギャップ工学による熱電材料設計の有効性を検証する。
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