半導体ナノ粒子によるエネルギー選択散乱効果の解明と高性能熱電材料の創製

• 研究課題/領域番号: 26630332
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 複合材料・表界面工学
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 竹内 恒博 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2015年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 熱電材料 / ゼーベック係数 / エネルギー選択散乱効果 / ショットキー障壁 / 電気伝導度 / 出力因子 / 無次元性能指数 / 熱電変換 / 縮退半導体 / 電子散乱 / バンドギャップ / 電子構造

研究成果の概要

本研究では,電子散乱にエネルギー依存性を与えることで,ゼーベック係数を効果的に増大させ,結果として,熱電材料の性能を向上させることを目的とした.高マンガンシリサイドの粒径を制御したところ，粒径の微細化により，電子散乱にエネルギー依存性が生み出されることを明らかにした.また．この効果により熱電材料としての性能が30～40%向上することを明らかにした.本成果により,安価で無害な元素から構成される高性能熱電材料が創製できる可能性が著しく高まったと言える.

研究成果

• [雑誌論文] 熱電材料の設計指針の構築と高性能熱電材料の創製 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博，山本晃生，GHODKE Swapnil
  • 雑誌名: 金属学会報「まてりあ」
  • NAID: 130005159320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of thermoelectric materials consisting solely of environmental friendly elements (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Akio Yamamoto, Swapnil Ghodke
  • 雑誌名: Materials Transactions
  • NAID: 130005158379
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of metastable MnSiγ containing small amount of W (2016)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, A. Yamamoto, H. Ikuta, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of Al-Mn-Si based C54 phase containing small amount of C40 phase (2016)
  • 著者名/発表者名: Akio Yamamoto, Swapnil Ghodke, Hidetoshi Miyazaki，Yoichi Nishino，Masaharu Matsunami, and Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Materials Transacrtions
  • NAID: 130005158381
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal Conductivity Measurement of Liquid-Quenched Higher Manganese Silicides (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nishino, Masanobu Miyata, Keisuke Ohdaira, Mikio Koyano, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 45 号: 3 ページ: 1821-1826
  • DOI: 10.1007/s11664-015-4236-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of super-saturated Re solid solution of higher manganese silicides (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto, S. Ghodke, H. Miyazaki, M. Inukai, Y. Nishino, M. Matsunami, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 2 ページ: 020301-020301
  • DOI: 10.7567/jjap.55.020301
  • NAID: 210000146009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of β-Indium sulfide (2015)
  • 著者名/発表者名: Yue-Xing Chen, Koichi Kitahara, Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 118 号: 24 ページ: 245103-245103
  • DOI: 10.1063/1.4939210
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] C40相を微量に含有するAl-Mn-Si基C54相の熱電特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，宮崎秀俊，西野洋一，竹内恒博
  • 雑誌名: 日本金属学会誌 巻: 79 号: 11 ページ: 577-580
  • DOI: 10.2320/jinstmet.JA201505
  • NAID: 130005105614
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermoelectric Properties of Al-Mn-Si C40 Phase Containing Small Amount of W or Ta (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto, H. Miyazaki, M. Inukai, Y. Nishino, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 54 号: 7 ページ: 071801-071801
  • DOI: 10.7567/jjap.54.071801
  • NAID: 210000145345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of Al-Mn-Si C40-phase in which was substituted W for M (2015)
  • 著者名/発表者名: Hidetoshi Miyazaki, Manabu. Inukai, Yoichi Nishino and Tsunehiro Takeuchi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 熱電材料の設計指針 (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 工業材料 巻: 62 ページ: 22-25
• [雑誌論文] 熱電材料の性能向上・コストダウンの為のポイント (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 情報機構 熱電変換材料 実用・活用を目指した設計と開発 巻: 1 ページ: 16-25
• [学会発表] Evolution of transport properties with microstructure in Re doped MnSiy (2016)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Akio Yamamoto, iroshi Ikuta, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 日本金属学会2016年春期講演大会
  • 発表場所: 東京理科大学 葛飾キャンパス（東京都葛飾区）
  • 年月日: 2016-03-23
• [学会発表] p型及びn型高性能MnSiγ(γ~1.73)系高マンガンシリサイド合金の創製 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2016年春期講演大会
  • 発表場所: 東京理科大学 葛飾キャンパス（東京都葛飾区）
  • 年月日: 2016-03-23
• [学会発表] 精密電子構造解析に基づく熱電物性の理解と高性能熱電材料の設計指針 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第25回日本MRS年次大会
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-12-08
  • 招待講演
• [学会発表] Theories of thermoelectric properties and guiding principle for developing high-performance (2015)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: International Conference on Thermoelectric Materials Science 2015
  • 発表場所: Nagoya University, Nagoya, Aichi, Japan
  • 年月日: 2015-11-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MnSiγ系高性能バルク熱電材料の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第27回排熱発電コンソーシアム
  • 発表場所: 安保ホール（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-11-03
  • 招待講演
• [学会発表] Development of high performance thermoelectric materials consisting solely of ubiquitous elements (2015)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 14th International Union of Materials Research Societies-International Conference on Advanced Materials
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-10-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高性能マンガンシリサイド熱電材料の創製 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生, スワプニルゴドゥケ, 生田博志, 竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会・2015年秋季講演大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] 高マンガンシリサイド高性能熱電材料の創製 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博，山本晃生，Swapnil Ghodke
  • 学会等名: 第26回シリサイド系半導体研究会
  • 発表場所: ウィルあいち（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric properties of W-substituted bulk higher manganese silicide (2015)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Naoya Hiroishi, Akio Yamamoto, T. Takeuchi
  • 学会等名: 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: 2015-09-13
• [学会発表] 構成元素Mnの一部をTaで部分置換したHMSの熱電物性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，広石尚也，竹内恒博
  • 学会等名: 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，名古屋
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Thermoelectric properties of bulk β-Indium sulfide with Mg doping (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Chen, K. Kitahara, T. Takeuchi
  • 学会等名: 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: 2015-09-13
• [学会発表] Mnを重元素(Ta,W,Re)で微量置換した高マンガンシリサイドの熱電物性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生, 広石尚也, 竹内恒博
  • 学会等名: 第12回日本熱電学会学術講演会
  • 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: 2015-09-06
• [学会発表] Development of thermoelectric materials using information about the electronic structure near the chemical potential (2015)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Akio Yamamoto, Naoya Hiroishi, Swapnil Ghodke, Hiroshi Ikuta
  • 学会等名: 34th Annual International Conference on Thermoelectrics
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-06-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermal conductivity measurement of liquid‐quenched higher manganese silicides (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Nishino, Masanobu Miyata, Keisuke Ohdaira, Mikio Koyano, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 34th Annual International Conference on Thermoelectrics
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Thermoelectric properties of higher manganese silicide containing small amount of Re (2015)
  • 著者名/発表者名: Akio Yamamoto, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications
  • 発表場所: Vancouver, Canada
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会
• [学会発表] Development of practical thermoelectric materials using information about electronic structure, electron scatterings, and phonon scatterings (2015)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications
  • 発表場所: Vancouver, Canada
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会
• [学会発表] Thermoelectric properties higher manganese silicide containing small amount of silicon nano- particles (2015)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Chetan Ghodke, Tsunehiro Takeuchi, Akio Yamamoto, Hiroshi Ikuta
  • 学会等名: 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications
  • 発表場所: Vancouver, Canada
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会
• [学会発表] 構成元素MnをReで部分置換した高マンガンシリサイドの熱電物性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，広石尚也，竹内恒博
  • 学会等名: 2015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
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] W を過剰に固溶させた高マンガンシリサイド MnSig の熱電物性 II (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博，広石尚也
  • 学会等名: 2015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
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 3ω 法を用いたMnSig リボン状試料の熱伝導率測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西野 俊佑、広石 尚也、宮田 全展、大平 圭介、小矢野 幹夫、竹内 恒博
  • 学会等名: 2015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
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Effect of silicon nano particles on thermoelectric properties of higher manganese silicide (2015)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 2015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
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 高性能熱電材料の開発における粉末冶金の重要性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成26年度秋季大
  • 発表場所: 大阪大学吹田キャンパス
  • 年月日: 2014-10-29
• [学会発表] Fe2VAl系ホイスラー合金薄膜熱電材料 の作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古田幸大，竹内恒博
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会
  • 発表場所: 物質材料研究機構
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] 液体急冷法により作製したチムニーラ ダー型Mn-X-W-Re-Si合金(X=Cr,Fe)の 熱電物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 広石尚也，竹内恒博
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会
  • 発表場所: 物質材料研究機構
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] C40相を添加したAl-(Mn,X)-Si C54相 複 合材料の熱電物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，竹内恒博
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会
  • 発表場所: 物質材料研究機構
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] Synthesis and characterization of heterogeneous higher manganese silicides to study energy filtering scattering effect (2014)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会
  • 発表場所: 物質材料研究機構
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] Fe2VAl系ホイスラー合金薄膜熱電材料の作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: 古田幸大，竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期(第155回)講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] 液体急冷法により作製したチムニーラダー型Mn-X-W-Si合金(X=Cr,Fe)の熱電物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 広石尚也，山本晃生，竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期(第155回)講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] Study of Energy Fillering Scattering Effect on Higher Manganese Silicide (2014)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期(第155回)講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] Al-Mn-Si系C40相を添加したAl-Mn-Si系C54相の熱電物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本晃生，竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期(第155回)講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] Wを過剰に固溶させた高マンガンシリサイド MnSiγの熱電物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博，広石尚也
  • 学会等名: 2014年 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Thermoelectric properties of (Mn,W)Siγ prepared by use of rapidly quenching technique (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Akio Yamamoto, Naoya Hiroishi, Swapnil Ghodke
  • 学会等名: International Conference on Thermoelectrics 2014
  • 発表場所: Nashville, TN, USA
  • 年月日: 2014-07-06 – 2014-07-10
• [産業財産権] 熱電変換材料および熱電変換素子 (2015)
  • 発明者名: 藤井俊輔，足立真寛，竹内恒博
  • 権利者名: 藤井俊輔，足立真寛，竹内恒博
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2015-212547
  • 出願年月日: 2015-10-29
• [産業財産権] 熱電変換材料および熱電変換素子 (2015)
  • 発明者名: 藤井俊輔，足立真寛，竹内恒博，山本晃生
  • 権利者名: 藤井俊輔，足立真寛，竹内恒博，山本晃生
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2015-212548
  • 出願年月日: 2015-10-29