| 研究課題/領域番号 |
15K06520
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| 研究機関 | 地方独立行政法人大阪市立工業研究所 |
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研究代表者 |
谷 淳一 地方独立行政法人大阪市立工業研究所, 電子材料研究部, 研究主任 (20416324)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 熱電材料 / 酸化物還元法 / 複合材料 / 輸送特性 / 第一原理計算 / 環境半導体 |
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| 研究実績の概要 |
マグネシウムスタナイド(Mg2Sn)は、原料資源が豊富で安価な半導体であり、熱電変換材料、太陽電池、赤外線センサーなどへの応用が期待されているが、Mg2Sn系の研究報告例は、マグネシウムシリサイド(Mg2Si)系と比較すると極めて少ない。本年度は、研究代表者らが開発した酸化物還元法(J. Tani et al., Intermetallics 2013)を用いて新規なMg2Sn系熱電複合材料を作製を検討した。
１．金属酸化物、炭酸塩、水酸化物などの11種類の添加物（Al2O3、Bi2O3、Sb2O3、La(OH)3、Li2CO3、Ag2O、CuO、Ga2O3、In2O3、Na2CO3、Y2O3）とMg2Snが合成時に反応し、添加物に含まれる金属元素の一部がMg2Sn結晶中に固溶し、ドーパントとして機能することが明らかとなった。
２．Mg2Sn系複合材料では、Li2CO3、Ga2O3、Na2CO3を添加した時はp型半導体、Al2O3、Bi2O3、Sb2O3、La(OH)3、CuO、Ga2O3、In2O3、Y2O3の添加によりn型半導体の特性を示した。ホール効果測定により決定したキャリア濃度は、第一原理計算より求めたMg2Snのドーパントの形成エネルギーと密接に関係しており、Ag以外にLi、Na、Gaなどの不純物元素の固溶量が高いことを実証することができた。
３．Mg2Sn系複合材料の電気抵抗率、ゼーベック係数、熱伝導率の温度依存性を評価することで熱電無次元性能指数(ZT)を決定した。p型のLi2CO3、Ga2O3、Na2CO3を添加した場合のZTの最大値は、それぞれ0.25(674 K)、0.024(381 K)、0.11(577 K)の値を示し、Li2CO3を添加した系が最も高い特性を示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、3年間で次の3つのサブテーマを設定し、Mg2Sn系熱電材料の高次微細組織制御を行う計画にしている。本年度は、酸化物還元法を用いてMg2Sn系熱電複合材料の開発を行い、これまで同材料で報告されていない従来のプロセスではドーピングが難しいアルカリ金属、希土類元素などの酸化物等についても検討を行った。本手法で同材料へのドーピングが確認でき、第一原理計算による不純物元素の形成エネルギーの理論値と不純物元素の固溶量との相関について実験面から検証することができ、当初の研究目標を予定どうり達成することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度に計画しているマグネトロンスパッタ法によるMg2Sn系熱電薄膜の作製に着手し、引き続き、Mg2Sn系熱電材料の高次微細組織制御を行っていく。また、遊星型ボールミル（平成27年度設置備品）を用いることで原料粉末のさらなる微細化や均一化を図り、単一相の作製が難しいMg2Si1-xSnxの合成条件の検討や酸化物還元法による組成の最適化を図り、同材料の高効率化を図る。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究の理論計算に使用しているクラスター計算機のソフトウェアライセンスの使用期限が次年度に切れるため、次年度にソフトウェアライセンス購入する必要が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
クラスター計算機のソフトウェアライセンスの購入を行う。
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