亜鉛-インジウム系酸化物の電子移動度増加と熱電変換材料への応用

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555236
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 河本 邦仁 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30133094)
• 研究分担者: 徐 元善 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30242829)
• キーワード: (ZnO)_mIn_2O_3 / リートベルト解析 / 熱電変換 / ゼーベック係数 / 結晶構造 / ドーピング / 層状構造

研究概要

我々は、熱電特性の向上を目的として層状構造を有するホモロガス化合物(ZnO)_5In_2O_3に金属元素の置換を試み、結晶構造および熱電特性を評価した。その結果、2価ではZnイオンに対してMgおよびCoイオン、3価ではInイオンに対してYイオンの置換において置換量の少ない領域でSeebeck係数の極大に伴う熱電特性の向上がみられ、YをInに対して3%置換した化合物において、この系における熱電変換性能指数の最高値Z=1.3×10^<-4>K^<-1>(1200K)という酸化物としては非常に良好な値を得た。また室温においてホール効果測定(van der Pauw法)により得たキャリア濃度およびホール移動度の置換量依存性を見ると、各置換体においてSeebeck係数の極大値を示す組成においてホール移動度の極大値を示すことがわかった。このことから、Seebeck係数の極大はこのホール移動度の増加によりもたらされるものと考えられる。また、熱電特性のさらなる向上を目指して、Mg^<2+>とY^<3+>、Co^<2+>とY^<3+>をそれぞれ同時置換したところ、置換量の少ない組成において、ホール移動度の増加に伴うと思われるSeebeck係数の極大値が得られた。 元素置換によってその熱電特性が向上した場合に共通して、格子定数は置換量の増加に伴って六方晶系のa軸が伸び、c軸が縮むという特異な変化を示した。Rietveld解析の結果によると、この特異な変化はIn-O層中の金属元素(M(1))と酸素イオンとの結合距離が長くなり、(ZnIn)-O層中では正四面体が歪むことにより、全体としてc軸方向に縮むことに起因していることが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] Y.Masuda,W.Pitske,K.Koumoto et al,: "Structure and Thermoelectric transport properties of Isoelectronically substituted (ZnO)_5In_2O_3"Journal of Solid State Chemistry. 150. 221-227 (2000)
• [文献書誌] W.Pitske,J.Werher.G.Behr,K.Koumoto: "Structure and Thermoelectric Properties of Me-substituted In_4Sn_3O_<12> Me=Y and Ti"Journal of Solid State Chemistry. 153. 349-356 (2000)
• [文献書誌] J.W.Moon,T.Okawa K.Koumoto et al.: "Ca-doped RcoO_3 (R=Gd, Sm, Nd, Pr) as Thermoelectric Materials"J Mater Chem.. 10. 2007-2009 (2000)
• [文献書誌] 河本邦仁,徐元善: "層状構造酸化物(ZnO)_mIn_2O_3"マテリアルインテグレーション. 13.7. 33-36 (2000)
• [文献書誌] K.Koumoto,W.S.Seo,H.Koduka: "Thermoelectric Properties of Single Crystal CuAlO_2 with a layered structure"J.Mater.Chem. 11. 251-252 (2000)