電子構造とフォノン分散を考慮した熱電材料設計指針の構築と高性能熱電材料の創製

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23360278
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 金属物性
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 竹内 恒博 名古屋大学, エコトピア科学研究所, その他 (00293655)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: ゼーベック係数 / フォノン散乱 / 格子熱伝導度 / 熱電材料 / 熱電物性 / 第一原理計算 / 電子構造 / 電気伝導度

研究概要

熱電発電素子およびペルチェ冷却素子の性能は，素子内で利用されている熱電材料の物性により決定される．これらの物性を予測すれば，既存の材料の性能を凌駕する次世代熱電材料の開発が可能である．本研究では，電子構造，電子散乱，フォノン分散，および，フォノン散乱を考慮して環境に優しい合金系において，高性能熱電材料の開発を行った．フェルミ準位近傍の電子構造からAl-Mn-Si系合金を選定した．これらの合金を作製することで，実際に良い電子物性を示すことを明らかにするとともに，電子物性に影響を与えずに格子熱伝導度のみを低減させることが可能な元素置換を提案し，実際に格子熱伝導度のみを低減可能であることを示した．

研究成果

• [雑誌論文] (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Furuta, K. Kato, T. Miyawaki, H. Asano, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: (Accepted and now in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Nakayama, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: (Accepted and now in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of Al-(Mn,X)-Si C54-phase (X = Ru and Re) (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto, H. Miyazaki, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 115 ページ: 023708
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 工業材料 巻: 62巻 第4号 ページ: 22-25
• [雑誌論文] (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Takeuchi, Y. Terazawa, Y. Furuta, A. Yamamoto, M. Mikami
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 42 ページ: 2084-2090
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Mikami, K. Ozaki, H. Takazawa, A. Yamamoto, Y. Terazawa, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 42 ページ: 1801-1806
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, Y. Nakashima, W. Malaeb, Y. Ishida, Y. Hamaya, T. Takeuchi, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 ページ: 217006(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, A.D. Palczewski, Y. Hamaya, T. Takeuchi, J. S. Wen, Z. J. Xu, G. Gu, A. Kaminski
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 157003(5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. He, Y. Yin, M. Zech, A. Soumyanarayanan, I. Zeljkovic, M. M. Yee, M. C. Boyer, K. Chatterjee, W. D. Wise, T. Kondo, T. Takeuchi, H. Ikuta, P. Mistark, R. S. Markiewicz, A. Bansil, S. Sachdev, E. W. Hudson, J. E. Hoffman
  • 雑誌名: Science 巻: (Accepted and now in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Terazawa1, M. Mikami, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 41 ページ: 1348-1353
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 41 ページ: 1743-1748
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Takeuchi, H. Goto, R. Nakayama, Y. Terazawa, K. Ogawa, A. Yamamoto, T. Itoh, M. Mikami
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 093517(7)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Mikami, Y. Kinemuchi, K. Ozaki, Y. Terazawa, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 093710(6)
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: I. Zeljkovic, E. J. Main, T. L. Williams, M. C. Boyer, K. Chatterjee, W. D. Wise, Yi Yin, Martin Zech, A. Pivonka, T. Kondo, T. Takeuchi, H. Ikuta, J. Wen, Z. Xu, G. D. Gu, E. W. Hudson, J. E. Hoffman
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 11 ページ: 585-589
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: 寺澤佑一, 三上祐史, 伊藤孝至, 竹内恒博
  • 雑誌名: 日本金属学会誌 巻: 第76巻 第3号 ページ: 216-221
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 日本熱電学会誌 巻: 第9巻 第1号 ページ: 27-31
• [雑誌論文] (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 日本熱電学会誌 巻: 第9巻 第2号 ページ: 21-26
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, Y. Hamaya, A. D. Palczewski, T. Takeuchi, J. S. Wen, Z. J. Xu, Genda Gu, Jorg Schmalian, A. Kaminski
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 7 ページ: 21-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Okada, T. Kawaguchi, M. Ohkawa, K. Ishizaka, T. Takeuchi, S. Shin, H. Ikuta
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 ページ: 104502(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Takeuchi, H. Goto, Y. Toyama, T. Itoh, M. Mikami
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 40 ページ: 1129-1135
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Toyama, H. Hazama, R. Asahi, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 40 ページ: 1052-1056
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: A. Yamamoto, K. Ogawa, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 52 ページ: 1539-1545
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Hazama, M. Matsubara, R. Asahi, T. Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 110 ページ: 063710(6)
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Takeuchi, A. Yamamoto, K. Ogawa
  • 雑誌名: Materials Research Society Proceedings 巻: Vol.1314
  • DOI: 10.1557/opl.2011.513
  • 査読あり
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 日本熱電学会誌 巻: 第8巻 第2号 ページ: 18-23
• [雑誌論文] (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 雑誌名: 日本熱電学会誌 巻: 第8巻 第3号 ページ: 27-31
• [学会発表] 狭い擬ギャップと準周期性を利用した熱整流材料の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 年月日: 2014-03-29
  • 招待講演
• [学会発表] 高性能熱電材料における界面の役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会2014年春期(第154回)講演大会
  • 年月日: 2014-03-23
• [学会発表] Preparation of Thermal diode using plasma jet splaying technique (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Wataru Takahara, Akira Kobayashi
  • 学会等名: The 7th International Workshop on Plasma Application and Hybrid Functionally Materials
  • 年月日: 2014-03-08
• [学会発表] Thermal rectification in icosahedral quasicrystals (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: The 12th International Conference on Quasicrystals
  • 年月日: 2013-09-03
  • 招待講演
• [学会発表] Precise determination of superconducting gap of Bi_2(Sr,R)_2CuO_<6+d>(R = La and Sm) (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: SRC Quantum Lunch Seminar
  • 年月日: 2013-04-25
  • 招待講演
• [学会発表] Al-Mn-Si 系環境調和型熱電材料の創成 (2013)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博, 山本晃生
  • 学会等名: 平成25年電気学会全国大会
  • 年月日: 2013-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] 熱電物性の支配因子とマイクロ・ナノ構造の影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 第4回日本機械学会マイクロナノ工学シンポジウム
  • 年月日: 2012-10-23
  • 招待講演
• [学会発表] Improvement in thermoelectric performance of Fe_2VAl-based Heusler alloys by using electronic structure analysis (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Yuichi Terazawa, Yukihiro Furuta, Akio Yamamoto, Masashi Mikami
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies-International Conference on Eelectronic Materials 2012
  • 年月日: 2012-09-25
• [学会発表] Development of Thermal-Rectifier Using Al-Based Quasicrystals (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Ryu-suke Nakayamac, Masashi Mikamid, Hidetoshi Miyazakie
  • 学会等名: APERIODIC 2012
  • 年月日: 2012-09-06
• [学会発表] 「最先端スペクトロスコピーを用いた熱電変換材料の研究最前線」高性能熱電材料開発における高分解能光電子分光法の利用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本熱電学会第15回研究会
  • 年月日: 2012-08-02
  • 招待講演
• [学会発表] Improvement in thermoelectric performance of Fe_2VAl-based materials by means of heavy element partial substitutions (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi, Yuichi Terazawa, Yukihiro Furuta, Akio Yamamoto, Masashi Mikami
  • 学会等名: The 31st International & 10th European Conference on Thermoelectrics
  • 年月日: 2012-07-10
• [学会発表] 熱電材料開発研究における高分解能光電子分光の利用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: UVSOR 研究会熱電材料開発研
  • 年月日: 2012-06-21
  • 招待講演
• [学会発表] 熱電物性における散乱因子の役割 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 日本金属学会第3回熱電変換材料研究会
  • 年月日: 2012-03-29
• [学会発表] 電子構造とフォノン分散を考慮した熱電材料設計指針の構築 (2012)
  • 学会等名: 応用物理学会2012春季講演会
  • 年月日: 2012-03-15
  • 招待講演
• [学会発表] 熱電材料の現状・課題と最近の研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博
  • 学会等名: 金属学会鉄鋼協会東海支部学術講演会
  • 年月日: 2012-02-23
  • 招待講演
• [学会発表] Heavy Element Substitution on Electronic Structure and Lattice Thermal Conductivity of Fe2VAl-based Alloys (2011)
  • 著者名/発表者名: Tsunehiro Takeuchi
  • 学会等名: JSPS Japan France Joint Seminar Effects
  • 年月日: 2011-11-09
• [図書] CRC handbook "Thermoelectrics and its Energy Harvesting, Vol.1 Materials, Preparation, and Characterization in Thermoelectrics" Section 1-7 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Takeuchi, 他
  • 出版者: CRC Press
• [図書] 熱電変換技術の基礎と応用第2章 第5節 (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹内恒博, 他
  • 出版者: 株式会社 シーエムシー出版