環境半導体クラスレート系熱電材料の創製とその熱電発電デバイスの開発

• 研究課題/領域番号: 25420763
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 山口東京理科大学
• 研究代表者: 阿武 宏明 山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60279106)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2014年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2013年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 未利用熱利用 / 熱電変換 / ゼーベック効果 / シリコン / クラスレート / 同時ドーピング / 熱電的特性 / 機械的特性 / 排熱有効利用 / 同時添加 / ゼーベック係数 / 弾性定数 / 電極接合 / 熱電素子 / 元素置換

研究成果の概要

環境半導体Si系クラスレート熱電材料の熱電性能向上を目指し，同時ドーピングによる熱電特性の最適化について研究し，同時ドーピング元素依存性，同時ドーピング量依存性等の制御因子の熱電特性に及ぼす効果について解明した．同時ドーピングにより，Si系クラスレートの熱電性能を従来の値から17％向上することに成功した．さらにSi系クラスレートの空気中における高温熱安定性，耐酸化性，弾性定数，破壊靭性値，ビッカース強度等の機械的特性を，この系で初めて詳細に調査・評価した．その結果，熱電素子応用に向けて良好な熱的安定性，高い耐酸化性，充分な機械的強度を有することを明らかにした．

研究成果

• [雑誌論文] Mechanical Properties of Thermoelectric Ba8Al15Si31 Clathrate Prepared by Combining Arc Melting and Spark Plasma Sintering Techniques (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno, Takahiro Ueda, Shusaku Hirata, Tomoki Kameyama, Tsutomu Iida, and Yasuo Kogo
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 45 号: 3 ページ: 1803-1812
  • DOI: 10.1007/s11664-015-4230-6
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Heat Treatment in Air on Thermoelectric Properties of Polycrystalline Type-I Silicon-Based Clathrate: Ba8Al15Si31 (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 44 号: 6 ページ: 1413-1419
  • DOI: 10.1007/s11664-014-3385-x
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] シリコンクラスレートの熱電特性に及ぼす同時ドーピングの効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 阿武宏明, 上田貴大, 佐久間裕教
  • 雑誌名: 紛体および粉末冶金 巻: 62 ページ: 194-199
  • NAID: 130005066966
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Heat Treatment in Air on the Surface of a Sintered Ba8Al16Si30-Based Clathrate (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 43 号: 6 ページ: 1847-1856
  • DOI: 10.1007/s11664-013-2887-2
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal stability and oxidation resistance of polycrystalline Ba8Al16Si30-based clathrates (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 雑誌名: Physica Status Solidi A 巻: 211 号: 6 ページ: 1288-1292
  • DOI: 10.1002/pssa.201300145
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of Heat Treatment in Air on Thermoelectric Silicon Clathrate (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 617 ページ: 243-246
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.617.243
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 環境に優しいシリコン・クラスレート熱電材料 (2013)
  • 著者名/発表者名: 阿武宏明
  • 雑誌名: 金属 巻: 83 ページ: 33-39
• [雑誌論文] THERMAL STABILITY AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF SILICON CLATHRATES FOR WASTE HEAT RECOVERY (2013)
  • 著者名/発表者名: H. ANNO and R. SHIRATAKI
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-24) 巻: なし ページ: 946-951
• [学会発表] Si系クラスレートにおけるAg置換と熱電特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 前島理佐，上田貴大，岡本和也，阿武宏明
  • 学会等名: 2016年（平成28年）第63 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Ga-P同時添加によるBa8Al16Si30クラスレートの機械的特性への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡本和也，上田貴大，江本優紀，阿武宏明
  • 学会等名: 2016年（平成28年）第63 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] シリコン系クラスレート熱電変換素子の設計と評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 江本優紀，岡本和也，阿武宏明
  • 学会等名: 山口東京理科大学第16回液晶研究所シンポジウム・第13回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム
  • 発表場所: 山口東京理科大学(山口県山陽小野田市）
  • 年月日: 2016-03-09
• [学会発表] Ga-Ag置換Si系クラスレートの熱電気的特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 前島理佐，岡本和也，阿武宏明
  • 学会等名: 山口東京理科大学第16回液晶研究所シンポジウム・第13回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム
  • 発表場所: 山口東京理科大学(山口県山陽小野田市）
  • 年月日: 2016-03-09
• [学会発表] Si系クラスレートにおける同時ドーピングによる熱電気的および機械的特性への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 上田貴大，岡本和也，阿武宏明
  • 学会等名: 山口東京理科大学第16回液晶研究所シンポジウム・第13回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム
  • 発表場所: 山口東京理科大学(山口県山陽小野田市）
  • 年月日: 2016-03-09
• [学会発表] Thermoelectric and mechanical properties of Ba-Al-Si-based clathrates (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno
  • 学会等名: International Conference on Thermoelectric Materials Science 2015 (TMS2015)
  • 発表場所: Nagoya University, Nagoya (Japan)
  • 年月日: 2015-11-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Elastic Properties, Hardness and Fracture Toughness of Thermoelectric Silicon Clathrate (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Anno, T. Ueda, K. Okamoto, S. Hirata, T. Kameyama, T. Iida, Y. Kogo
  • 学会等名: 14th International Union of Materials Research Societies-International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM2015)
  • 発表場所: Jeju (Korea)
  • 年月日: 2015-10-29
  • 国際学会
• [学会発表] ナノインデンテーション法によるBa8Al15Si31の機械的特性評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 上田貴大, 阿武宏明, 亀山知季, 飯田努, 向後保雄, 長谷川宗平, 長塚祐真, 岡本和也
  • 学会等名: 2015年 （平成27年）第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-14
• [学会発表] Ba8Al15Si31 系クラスレートのヤング率およびビッカース硬さの評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 上田貴大，阿武宏明，岡本和也，亀山知季，長塚祐真，飯田努，長谷川宗平，向後保雄
  • 学会等名: 第12回日本熱電学会学術講演会（TSJ2015）
  • 発表場所: 九州大学筑紫地区総合研究棟（福岡県春日市）
  • 年月日: 2015-09-07
• [学会発表] Mechanical properties of thermoelectric Ba8Al15Si31 clathrate (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Anno, T. Ueda, S. Hirata, T. Kameyama, T. Iida, Y. Kogo
  • 学会等名: The 34th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT 2015) and 13th European Conference on Thermoelectrics (ECT 2015)
  • 発表場所: Dresden (Germany)
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Ba8Al16Si30系クラスレートにおける同時ドーピング効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 上田貴大，佐久間裕教，阿武宏明
  • 学会等名: 2015年（平成27年）第62 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県・平塚市）
  • 年月日: 2015-03-13
• [学会発表] Ba8Al16Si30系クラスレート焼結体の機械的特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 阿武宏明，上田貴大，平田柊作，藤田恒輝，飯田努，向後保雄
  • 学会等名: 2015年（平成27年）第62 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県・平塚市）
  • 年月日: 2015-03-13
• [学会発表] Ba8Al16Si30系クラスレートにおけるGa-P同時ドーピングおよび熱電特性の評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐久間裕教，上田貴大，阿武宏明
  • 学会等名: 山口東京理科大学第15回液晶研究所シンポジウム・第12回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム
  • 発表場所: 山口東京理科大学（山口県・山陽小野田市）
  • 年月日: 2015-03-09
• [学会発表] シリコン系クラスレート熱電変換素子の設計と評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤田恒輝，上田貴大，阿武宏明
  • 学会等名: 山口東京理科大学第15回液晶研究所シンポジウム・第12回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム
  • 発表場所: 山口東京理科大学（山口県・山陽小野田市）
  • 年月日: 2015-03-09
• [学会発表] Rattling Silicide: Ba-Al-Si-Based Clathrates (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno
  • 学会等名: 1st Symposium for the Promotion of Applied Reserarch Collaboration in Asia (SPARCA2015)
  • 発表場所: Sunworld Dynasty Hotel, Taipei (Taiwan)
  • 年月日: 2015-02-09
  • 招待講演
• [学会発表] Ba8AlxSi46-xクラスレートの熱電特性に及ぼす同時ドーピングの効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 阿武宏明, 上田貴大, 佐久間裕教
  • 学会等名: 一般社団法人紛体粉末冶金協会講演平成26年度秋季大会（第114回講演大会）
  • 発表場所: 大阪大学コンベンションセンター（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2014-10-28
• [学会発表] Ba8Al16Si30系クラスレートにおける同時ドーピングと熱電特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 上田貴大，佐久間裕教，阿武宏明
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会（TSJ2014）
  • 発表場所: 独立行政法人物質・材料研究機構（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] Investigation of Thermoelectric Properties of P-Type CuFeS2 Chalcopyrite (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Shou Fujii
  • 学会等名: The 15th International Union of Materials Research Societies - International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014)
  • 発表場所: 福岡大学（福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2014-08-25
• [学会発表] Effect of Heat Treatment in Air on Thermoelectric Properties of Ba8Al16Si30-Based Clathrate (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Thermoelectrics (ICT2014)
  • 発表場所: Nashville, TN (USA)
  • 年月日: 2014-07-08 – 2014-07-09
• [学会発表] Thermal stablity and oxidation resistance of polycrystalline Ba8Al16Si30-Based clathrates
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 学会等名: E-MRS 2013 Spring Meeting
  • 発表場所: Strasbourg, France
• [学会発表] Impact of heat treatment in air on thermoelectric properties of sintered Ba8Al16Si30-based clathrate
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 学会等名: The 32nd International Conference on Thermoelectrics (ICT2013)
  • 発表場所: Kobe, Japan
• [学会発表] Development of Thermoelectric Silicon Clathrates
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno
  • 学会等名: 4th International Workshop on Thermoelectrics
  • 発表場所: Awaji Island, Japan
• [学会発表] 空気中熱処理によるBa8Al16Si30 系クラスレートの表面酸化と熱電特性への影響評価
  • 著者名/発表者名: 阿武宏明，白瀧律子
  • 学会等名: 第10回日本熱電学会学術講演会（TSJ2013）
  • 発表場所: 名古屋大学（豊田講堂）、名古屋市
• [学会発表] Influence of Heat Treatment in Air on Thermoelectric Silicon Clathrate
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Anno and Ritsuko Shirataki
  • 学会等名: The International Symposium on Inorganic and Environmental Materials 2013 (ISIEM 2013)
  • 発表場所: The University of Rennes, France
• [学会発表] THERMAL STABILITY AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF SILICON CLATHRATES FOR WASTE HEAT RECOVERY
  • 著者名/発表者名: H. ANNO and R. SHIRATAKI
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-24)
  • 発表場所: Tokyo University of Science, Yamaguchi, Japan
• [学会発表] Investigation of Thermoelectric Properties of Chalcopyrite Semiconductor
  • 著者名/発表者名: S. Fujii and H. Anno
  • 学会等名: 山口東京理科大学第14回液晶研究所シンポジウム・第11回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム, The 3rd International Workshop on Green Innovation
  • 発表場所: 山口東京理科大学、山陽小野田市
• [学会発表] Effect of Host Substitution on Thermoelectric Properties of Ba8Al16Si30 Clathrate System: Examination of Co-doping
  • 著者名/発表者名: T. Ueda, R. Shirataki, and H. Anno
  • 学会等名: 山口東京理科大学第14回液晶研究所シンポジウム・第11回先進材料研究所シンポジウム・合同シンポジウム, The 3rd International Workshop on Green Innovation
  • 発表場所: 山口東京理科大学、山陽小野田市
• [図書] ADVANCED MATERIALS FOR CLEAN ENERGY (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryoji Funahashi, Chunlei Wan, Feng Dang, Hiroaki Anno, Ryosuke O. Suzuki, Takeyuki Fujisaka, and Kunihito Koumoto
  • 総ページ数: 617
  • 出版者: CRC Press
• [備考] 東京理科大学 研究者情報データベース RIDAI
  • URL: http://www.tus.ac.jp/ridai/
• [備考] 学校法人東京理科大学の研究者情報データベース RIDAI
  • URL: http://www.tus.ac.jp/ridai/