層状酸化物熱電材料の自己組織化配向制御による高効率化

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14103008
• 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, 文部科学教官教授 (30133094)
• 研究分担者: 増田 佳丈 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 文部科学教官助手 (20324460) ; 米澤 徹 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 文部科学教官助教授 (90284538)
• キーワード: 熱電 / 酸化物 / 層状構造 / Ca_<m+1>Mn_mO_<3m+1> / ゼーベック効果 / 二次元層状ペロプスカイト構造 / 自然超格子 / 半導体

研究概要

本年度では、CaMn0_3(m=∞)に関して二次元層状ペロブスカイト構造をとることによって熱電特性がどのように変化するかを調査した。また、二次元層状ペロブスカイト構造を有する化合物のうちm=3に関してイオン半径の異なるランタン、イットリウムをドープした試料を作製し、その熱電特性を測定するとともに、原子価制御が熱電特性に与える影響を調査した。
○Cam+_1Mn_mO_<3m+1>の熱電特性について:Cam+_1Mn_mO_<3m+1>の導電率は測定した温度範囲で温度上昇とともに高くなる半導性を示した。Cam+_1Mn_mO_<3m+1>のゼーベック係数は負の値を持つことからn型半導体であることが確認され、導電率とは逆に温度上昇と共にゼーベック係数の絶対値は小さくなることが確認された。また、導電率ゼーベック係数ともにmの値に対して系統的な変化を示したが、これはmの値の増加と共に導電層であるCaMnO_3層の体積分率が増大したためであると考えられる。また、Cam+_1Mn_mO_<3m+1>の出力因子も導電率の結果と同じく、温度上昇とともに高くなり、mの値とともに増大した。Cam+_1Mn_mO_<3m+1>の熱伝導率は立方相ペロブスカイト構造をとるCaMnO_3(m=∞)に比べて、二次元層状ペロプスカイト構造をとるm=3の方が低い熱伝導率を示した。これはm=3では層間で格子振動が効果的に散乱されるために熱伝導率が減少したと考えられる。
○原子価制御が熱電特性に与える影響について:Ca_4Mn_3O_<10>にランタン及びイットリウムをドーピングした試料は、キャリア濃度の増大により導電率は増大し、ゼーベック係数は減少する結果となった。出力因子に関しては、導電率の増大がゼーベック係数の減少を上回ったため、全ての試料でノンドープ試料よりも高い値を示した。また、熱伝導率はドーピングの影響ほとんど受けないため、ノンドープ試料とほぼ同じ熱伝導率を示した。そのため、熱電材料としての性能指数Zは増大し、ノンドープ試料に比べ約2倍の値を得ることに成功した。

研究成果

• [文献書誌] J.W.Moon, W.S.Seo, K.Koumoto: "Effects of Doping on Thermoelectric Properties of Rare-Earth Cobalt Oxides"Key Eng.Mater.. 214-215. 87-92 (2002)
• [文献書誌] S.Hirano, S.Isobe, T.Tani, N.Kitamura, I.Matsubara, K.Koumoto: "Electrical and Thermal Transport in Layer-Structured (ZnO)_mIn_2O_3 (m=5 and 9) Ceramics"Jpn.J.Appl.Phys.. 41. 6430-6435 (2002)
• [文献書誌] Daisuke Nagahama, Yoshitake Masuda, Tetsu Yonezawa, Kunihito Koumoto: "Thermoelectric Properties of Textured Ceramics of Co-Containing Layer-Structured Oxide"Key Eng.Mater.. 228-229. 155-160 (2002)
• [文献書誌] Shinya Isobe, Yoshitake Masuda, Shingo Hirano, Toshihiko Tani, Kunihito Koumoto: "Thermoelectric Properties of Highly Textured Zn-In-O Ceramics"Key Eng.Mater.. 228-229. 161-166 (2002)
• [文献書誌] Shinya Isobe, Toshihiko Tani, Yoshitake Masuda, Won-Seon Seo, Kunihito Koumoto: "Thermoelectric Performance of Yttrium-substituted (ZnO)_5In_2O_3 Improved through Ceramic Texturing"Jpn J.Appl.Phys.. 41. 731-732 (2002)
• [文献書誌] Yoshitake Masuda, Daisuke Nagahama, Hiroshi Itahara, Toshihiko Tani, Won Seon Seo, Kunihito Koumoto: "Thermoelectric Performance of Bi-and Na-substituted Ca3Co4O9 Improved through Ceramic Texturing"J.Mater.Chem.. (in press). (2003)
• [文献書誌] 平野 晋吾, 磯部 真也, 谷 俊彦, 増田 佳丈, 河本 邦仁: "高温熱電変換材料の新展開"Ceramic Data Book 2002. 30. 80-82 (2002)
• [文献書誌] Toshihiko Tani, Kunihito Koumoto: "Oxide Thermoelectrics edited by K. Koumoto, I. Terasaki and N. Murayama, Research Signpost, India"Texture Engineering of Oxide Thermoelectrics by Reactive Templated Grain Growth Method. 147-157 (2002)