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2019 年度 実施状況報告書

誘電体を活用したハイブリッド熱電材料の創製によるトレードオフ呪縛からの解放

研究課題

研究課題/領域番号 18K04000
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

篠原 嘉一  国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 副拠点長 (70343853)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード熱電材料 / 誘電体 / ハイブリッド
研究実績の概要

熱電材料の発電性能はゼーベック係数の二乗と電気伝導率の積で表され、この積が高いくなると発電出力が高くなる。しかし、ゼーベック係数はキャリア濃度が高くなると低くなり、電気伝導率は逆に高くなる。ゼーベック係数と電気伝導率はトレードオフの関係にあり、キャリア濃度の最適化で出力因子を最大化することはできる。しかしゼーベック係数と電気伝導率を独立に制御して、出力因子を飛躍的に増加させることはできない。そこで本研究では、高比誘電率の電気伝導性材料を活用して、電気伝導を担う高比誘電率の電気伝導性材料と熱起電力を担う高ゼーベック係数の熱電材料を組み合わせたハイブリッド材料を創製し、トレードオフの呪縛から熱電材料を解放する学理を新たに見出すことを目的とする。
2020年度は、昨年度課題として明らかになったスパッタ条件の最適化について、基板温度制御およびターゲットの添加量制御でクリアした。これに基づいてハイブリッド材料を構成するNb添加TiO2およびP添加Siの単相膜をスパッタ成膜し、面内方向の熱電特性(ゼーベック係数と電気伝導率)の評価を行った。また添加量を一定としてNb 添加TiO2 およびP 添加Si の交互積層膜をスパッタ成膜し、積層膜の面内方向の熱電特性(ゼーベック係数、電気伝導率)と各層の厚さとの相関を検討した。その結果、誘電体であるP添加Si層が導電体であるNb添加TiO2層がよりも十分に厚い場合に、熱電特性(ゼーベック係数と電気伝導率)が複合則から外れることを見出した。

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

ゼーベック係数と電気伝導率について、複合則から外れる現象を見出した。

今後の研究の推進方策

研究計画に従って、添加量を変えることで熱電特性を変化させたNb 添加TiO2 およびP 添加Si の交互積層膜を作製し、積層膜の面内方向の熱電特性(ゼーベック係数、電気伝導率)と各層の熱電特性との相関を検討する。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 3件) 図書 (3件)

  • [雑誌論文] A practical appraisal of thermoelectric materials for use in an autonomous power supply2019

    • 著者名/発表者名
      Takagiwa Yoshiki、Shinohara Yoshikazu
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 172 ページ: 98~104

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2019.07.022

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermoelectric properties of PEDOT/PSS films prepared by a Gel-film formation process2019

    • 著者名/発表者名
      R. Maeda, H. Kawakami, Y. Shinohara, I. Kanazawa, M. Mitsuishi
    • 雑誌名

      MATERIALS LETTERS

      巻: 251 ページ: 169~171

    • DOI

      10.1016/j.matlet.2019.05.005

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] The Next Direction of Thermoelectric Materials for Power Generation2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、前田諒太
    • 学会等名
      日本MRS創立30周年記念シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 発電用熱電材料の現状について2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、磯田幸宏、高際良樹、後藤真宏
    • 学会等名
      第29回日本MRS.年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 日本のthermoelectricsを振り返る(令和元年,ZT を知る)2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 学会等名
      第16回日本熱電学会学術講演会
    • 招待講演
  • [図書] Thermoelectric Power Generation from Waste Heat、Handbook of Ecomaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shinohara、O. Umezawa
    • 総ページ数
      19
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783319682549
  • [図書] 車載用高効率熱電変換材料、サーマルデバイス2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 総ページ数
      7
    • 出版者
      NTS
    • ISBN
      9784860436025
  • [図書] Growth of Ecomaterials and Eco-efficiency in Major Metallic Structural Materials、Handbook of Ecomaterials2019

    • 著者名/発表者名
      O. Umezawa、Y. Shinohara、K. Halada
    • 総ページ数
      35
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783319682549

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公開日: 2021-01-27  

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