高性能な酸化物熱電材料の開発に向けた複合カチオンエンジニアリングの構築

2023 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02443
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 萩原 学 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30706750)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 熱電変換材料 / セラミックス / 複合カチオン / ペロブスカイト

研究成果の概要

本研究では、酸化物熱電材料の熱伝導率の低減を目的とし、ペロブスカイト型酸化物CaMnO3とSrTiO3のCa2+およびSr2+サイトを価数の異なる２種類のカチオンからなる「複合カチオン」で置換する手法を採用した。CaMnO3系についてはCa2+の10%をGd3+とNa+からなる複合カチオンで置換することで熱伝導率が大きく低減するとともに高いパワファクターが得られ、無次元性能指数ZTが大きく向上した。SrTiO3のSr2+の全てをLa3+とNa+からなる複合カチオンで置換した化合物については、グレインサイズを増大させることで高い電気伝導率と低い熱伝導率の両立が可能であることがわかった。

自由記述の分野

無機材料科学

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでに酸化物熱電材料の熱伝導率を低減する手法として、主にはグレインの微細化や第二相との複合化によるフォノン散乱の増強が試みられてきたが、これらの”extrinsic”な効果は微細構造や組成のわずかな変化に強く影響されてしまうことが問題であった。本研究で実証した複合カチオンの導入による熱伝導率の低減は結晶化学に基づく”intrinsic”な効果であり、グレインサイズ等の微細構造の変化に依存しない。したがって本研究の成果は酸化物系熱電変換素子の実現に向けた材料設計の幅を大きく拡大することを可能とするものである。