| 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,有望な熱電材料である。本課題では,クラスレート化合物に対して,化学組成を含めた結晶構造を設計・制御することにより,性能向上を試みた。昨年度はカチオン内包系について研究したが,今年度は,主に,p型での高性能化を目指して,アニオン内包系の新規化合物合成とその組成制御を実施した。
1.ヨウ素内包クラスレートSn_<38>Sb_8I_8,Ge_<38>Sb_8I_8
アニオン系クラスレートの従来の作製方法は,輸送法と高圧法であり,大きなサイズの試料体を得るのが困難であった。本研究では,メカニカルアロイング法を活用した焼結法により,比較的簡単に大きな試料体を得ることに成功した。その手法により,報告例のあるGe_<38>Sb_8I_8を作製した他,新規化合物Sn_<38>Sb_8I_8を合成することができた。それらの熱伝導率は,カチオン系のそれと同等かそれ以下であることがわかった。内包原子の原子変位パラメータも,アニオン系とカチオン系の間にはあまり差がなく,ラトリング効果が同様に生じることが示唆され,熱的性能の面ではアニオン系も高性能材料になる可能性が見えた。しかし,これらの材料では,キャリア制御が難しく,p型化は達成できなかった。
2.テルル内包クラスレートGe_<30>P_<16>Te_8,Si_<30>P_<16>Te_8
ハロゲンのヨウ素に代えて,それよりも電気陰性度の低いテルルを内包元素とした,いくつかの新規クラスレートの合成に成功した。Ge_<30>P_<16>Te_8は,低い熱伝導率とp型伝導性を示した。しかし,キャリア密度の最適化は行えず,最大無次元性能指数ZT_<max>は0.12に留まった。一方,Si_<30>P_<16>Te_8は,熱伝導率は期待ほど低くはなかったが,高いp型伝導性を示した。キャリア密度の最適化が可能で,最大無次元性能指数ZT_<max>は0.45に達した。
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