| 研究課題/領域番号 |
25289081
|
|---|
| 研究種目 |
基盤研究(B)
|
| 研究機関 | 茨城大学 |
|---|
研究代表者 |
鵜殿 治彦 茨城大学, 工学部, 教授 (10282279)
|
|---|
| 研究分担者 |
磯田 幸宏 独立行政法人物質・材料研究機構, 電池材料ユニット, 主幹研究員 (80354140)
板倉 賢 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (20203078)
江坂 文孝 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力基礎工学研究部門, 研究主幹 (40354865)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| キーワード | 熱電変換 / シリサイド半導体 / ナノ構造 |
|---|
| 研究概要 |
本研究は、地殻中資源量が豊富な元素で構成され、毒性が低いなどの特徴を備えたシリサイド半導体（Mg2Si, MnSi1.75）に結晶成長技術でナノ構造を導入（ナノ構造バルク化）することで熱電性能を飛躍的に向上させ、普及が容易な高効率熱電素子を開発することを最終目的として研究を行っている。
Mg2Siはn型の熱電材料として300℃～600℃程度の中温域で優れた発電能力（パワーファクター）を示すが、熱伝導率が高いために熱電変換効率は十分に高くない。熱伝導率を1/10まで低減できれば、室温付近でさえ高い熱電変換効率を示す材料となり得る。MnSi1.75はp型の熱電材料としてMg2Siと同じく中温域の熱電材料として期待される。この熱伝導率はMg2Siの1/3程度と比較的低いが、ナノ構造を用いて更に熱伝導率を低減すれば変換効率の高いp型熱電材料としてMg2Siと対で利用できる。
本年度は当初の計画通り１．結晶成長時の不純物偏析などを利用し、不純物をナノサイズで偏析させたシリサイド半導体ナノ構造結晶成長、２．透過電子顕微鏡による結晶中の微細構造観察、３．不純物の種類と濃度やプロファイル評価、４．ナノ構造結晶の熱電特性を評価、５．ナノ構造結晶のフォノンの散乱過程について解析するための計算ツールの構築を主に行った。
不純物を偏析させたMg2SiおよびMnSi1.75-x結晶を成長することができ、その不純物分布、偏析構造、熱伝導率への影響について評価した。その結果、不純物添加による熱伝導率の低減が従来知られているよりも顕著に生じて熱電特性の改善に寄与できることが実験面と理論計算の両面から明らかにできた。
|
| 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
当初の計画通り１．結晶成長時の不純物偏析などを利用し、不純物をナノサイズで偏析させたシリサイド半導体ナノ構造結晶成長、２．透過電子顕微鏡による結晶中の微細構造観察、３．不純物の種類と濃度やプロファイル評価、４．ナノ構造結晶の熱電特性を評価、５．ナノ構造結晶のフォノンの散乱過程について解析するための計算ツールの構築について実験を進めることができた。
周期変調による成長制御はまだ不十分であったが、不純物偏析させたMg2SiおよびMnSi1.75-x結晶を成長することができ、その不純物分布、偏析構造、熱伝導率への影響について評価できた。この解析から、重元素の不純物添加では、僅かな量の不純物添加量で熱伝導率が大きく低減できることを実験的に明らかにし、構築した理論計算によっても熱伝導率が低減することを確認した。これらの結果は、不純物の偏析効果で熱伝導率を低減して熱電特性を改善できることを示しており、今後、偏析効果を有効に利用できれば更に良好な結果が得られると考えられることから研究の進展は概ね順調と言える。
|
| 今後の研究の推進方策 |
昨年度に引き続き、当初の計画通り本年度も研究を進める。内容としては以下を計画している。
１．結晶成長時の不純物偏析などを利用し、不純物をナノサイズで偏析させたシリサイド半導体ナノ構造結晶成長、２．透過電子顕微鏡による結晶中の微細構造観察、３．不純物の種類と濃度やプロファイル評価、４．ナノ構造結晶の熱電特性を評価、５．計算によるナノ構造結晶のフォノンの散乱過程の解析
|
| 次年度の研究費の使用計画 |
成長装置の不具合が後半に生じたために成長実験が当初の計画よりわずかに少なくなった。このための実験の消耗品として71900円の使用が少なくなった。
昨年行えなかった成長実験を追加で行う。これによって繰越金71900円を使用する。
|
