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2011 年度 実績報告書

新規熱電材料のための磁性-半導体微粒子ハイブリッドの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22560050
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

小矢野 幹夫  北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 准教授 (60195873)

キーワード熱電変換材料 / 磁性微粒子 / ハイブリッド材料 / 熱電性能指数 / 結晶育成 / ビスマス-アンチモン合金 / Bi-Sb-Te
研究概要

本研究課題では,大きな熱起電力と低い熱伝導率が要求される次世代の熱電変換材料に供するため,熱電半導体微粒子と磁性微粒子のハイブリッド材料を開発することを目的とする。平成23年度は以下の内容を遂行した。
1.前年度に作製した「高温域熱電測定システム」(室温から573K(300℃)までの温度領域で,電気抵抗率ρおよび熱電能αを測定できる)の詳細な装置校正を行った。標準試料としてコンスタンタンを用いた結果,上記の温度範囲で,系統誤差2μV/K,相対誤差7%で熱電能の絶対値が測定できることを確かめた。このシステムの完成は本研究の成果のひとつであり,応用物理学会にて成果発表を行った。
2.磁性ハイブリッド熱電材料の母体の候補として,(1)低温熱電材料ビスマス-アンチモン合金(Bi-Sb)および(2)実用熱電材料Bi-Sb-Te化合物単結晶の合成を行い,その熱電物性を調べた。このうち(2)の単結晶育成は,化学気相法により行った。設定温度や化学輸送剤を最適化することにより,熱電能αが大きな良質の単結晶を得ることができたが,結晶が要求されるサイズまで大きくならずハイブリッドの母体としは不適当であった。これらの結果は論文・学会等で報告された。
3.以上の結果を踏まえ,ハイブリッドの母体としてBi-sbを選択した。Bi-sb(Bi_<0.88>sb_<0.12>)を粉砕した原材料末に,バリウムフェライト微粒子を添加し,現有のマッフル炉で加熱し,Bi-Sb合金を母相とするハイブリッド熱電材料を合成した。このハイブリッドの熱電能αは母体と比較してほとんど変化しないのに対して,電気抵抗率ρはバリウムフェライト微粒子による散乱の増加により,大きく増大した。熱伝導率κは低下した。これらの熱電特性の変化は,サイトパーコレーションモデルにより理解できることを明らかにした。

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

既に目的に記載した磁性-半導体微粒子ハイブリッドの合成に成功しており,期待される効果として,磁性微粒子の添加による熱伝導率の低下も実験的に確かめた。現時点では,磁性による熱電能の増強は観測されていないが,これは微粒子が発生する内部磁場が弱いためであることが分かっている。23年度は,より自発磁化の大きいFe-Nd-B微粒子を用いることにより,この問題を解決することができるものと考えている。

今後の研究の推進方策

本年度は,Bi-Sbハイブリッド熱電材料の原料となる強磁性体ナノ粒子として,より高い保持力を有するFe-Nd-Bを用いる。母体Bi_<0.88>Sb_<0.12>インゴットを粉砕した原材料末にFe-Nd-B微粒子を添加し,現有のマッフル炉で加熱して試料を作成する。Bi-Sbに対するFe-Nd-B微粒子のモル比は,0から38%までを予定している。得られた試料の構造や組成は,学内共通設備のXRDやEDSによって評価する。熱電性能は,本研究で開発した熱電測定システムおよび現有のPPMS(QUANTUM DESIGN社)を用いて測定する。さらに,ハイブリッド試料を磁化させ,その前後での熱電特性を比較することにより,磁性微粒子の内部磁場が熱電性能に与える効果を明らかにする。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Single crystal growth of Bi-Sb-Te thermoelectric materials by halide chemical vapor transport technique2011

    • 著者名/発表者名
      M. Koyano, J. Tanaka, K. Suekuni and T. Ariga
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

    • DOI

      DOI:10.1007/s11664-011-1849-9

    • 査読あり
  • [学会発表] 中温度領域における熱電能・電気抵抗率測定用小型装置の開発2012

    • 著者名/発表者名
      牧田賢枝, 有賀智紀, 末國晃一郎, 小矢野幹夫
    • 学会等名
      2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都新宿区)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] Synthesis and thermoelectric properties in hybrid of Bi-Sb alloy and magnetic particles2011

    • 著者名/発表者名
      D.V.Lam, K.Suekuni, T.Ariga, M.Koyano
    • 学会等名
      2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学小白川キャンパス(山形県山形市)
    • 年月日
      2011-08-30
  • [学会発表] Single crystal growth of Bi-Sb-Te thermoelectric materials by halide chemical vapor transport technique2011

    • 著者名/発表者名
      M. Koyano, J. Tanaka, K. Suekuni and T. Ariga
    • 学会等名
      30th International Conference on Thermoelectrics
    • 発表場所
      Traverse City, Michigan, USA
    • 年月日
      2011-07-19

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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