| 研究概要 |
クラスレート化合物は,内包原子のラトリング効果によって熱伝導率κが格段に低減されるため,その性能指数Z=S^2σ/κ(S:ゼーベック係数;σ:電気伝導率)が大きく,有望な熱電変換材料である。本課題では,さらなる性能向上のために,特に,出力因子S^2σの向上を試みている。出力因子は,有効質量m^*と移動度μを用いて,S^2σ∝m^<*3/2>μと書ける。そこで,結晶構造中の原子の配置や種類を設計・制御することにより,規則的な原子配置でキャリア散乱を減らし移動度μを向上させるか,あるいは,電子構造を変化させ有効質量m^*を増大させることを試みている。
1.アルカリ金属内包クラスレートK_8Ga_8Ge_<38>
内包原子として,通常用いられているアルカリ土類金属の代わりに,アルカリ金属を用いて,電荷補償原子(III族原子)数を組成式あたり16個(Ba_8Ga_<16>Ge_<30>)から8個(K_8Ga_8Ge_<38>)に減らすことにより,移動度μの向上を試みた。おそらく電子構造の変化により,有効質量m^*が5倍程度増加したので,移動度μの向上を得ることはできなかった。しかしながら,この有効質量増大により,室温におけるm^<*3/2>μならびに出力因子S^2σは,K系のほうがBa系よりも大きくなった。
2.混晶系クラスレートSr_<8-x>Ba_xGa_<16>Ge_<30>
その電子構造の制御を念頭におき,高い性能を示す温度領域が異なる二つのSr_8Ga_<16>Ge_<30>とBa_8Ga_<16>Ge_<30>の混晶化を試みた。作製した試料は,X線回折の結果,タイプ1のクラスレート構造を示すことがわかった。その熱電特性は,系統的な変化を示した:すなわち,Ba量xが増えるにつれて,電気伝導率σは減少する傾向が見られ,また,その真性領域での活性化が始まる温度ならびにゼーベック係数Sが最大値を示す温度がより高温側にシフトした。今後,熱電性能の向上のために,組成などを最適化する予定である。
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