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2015 年度 実績報告書

温度変調によるシリサイドナノバルク結晶創成と熱電応用

研究課題

研究課題/領域番号 25289081
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 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  国立研究開発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)
磯田 幸宏  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電池材料ユニット, 主幹研究員 (80354140)
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 / Mg2Si / MnSi1.75
研究実績の概要

Mg2Siと MnSi1.75は300℃~600℃の中温域で、それぞれn型およびp型の熱電変換材料としての利用が期待されている。特にMg2Siはn型で高い熱電能(パワーファクター)を備えるが、熱伝導率が高いために無次元性能指数ZTが低くなってしまっている。一方のMnSi1.75はMg2Siの1/3程度の熱伝導率であるが、こちらも不純物添加で熱伝導率のみを低減出来れば無次元性能指数ZTの高い材料となり、シリサイド系材料で高い熱電性能のpn対が実現でき、高効率な熱電素子の実現へとつながる。
本年度は前年度に続いて不純物添による熱伝導率の低減効果を調べるとともに電界変調および温度変調によるMg2Si, MnSi1.75への不純物偏析を調査した。また、実用化に向けてMg2Si素子の耐熱性および強度について調査した。さらに電極を形成したMg2SiおよびMnSi1.75素子を試作し、出力特性について調査をおこなった。前年度までに見出した不純物の添加効果による熱伝導率の低減によって、溶融Mg2SiでもZTを高めることが可能となり、最終的にSb添加結晶において300KでのZT=0.13および900KでZT=0.83、Bi添加結晶において300KでのZT=0.11および900KでZT=0.90を得た。最大のZT(900K)は焼結材料で報告されている最大のZTと同程度か若干劣るが、300KでのZTは焼結材料と比べて約1.5倍に改善できることがわかった。MnSi1.75では単相結晶を用いることで、300KでのZT=0.15および590KでZT=0.37が得られた。800Kでの出力因子は2x10-3W/mK2と非常に高く、不純物添加による熱伝導率の低減でさらに高いZTが期待できる。また、素子の耐酸化性能、強度に関しては添加不純物に依存したMg2Siの耐酸化性能の向上と低下が生じること、ビッカース高度に変化が生じることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Transformation of the nickel donor center by annealing in silicon measured by deep-level transient spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Minoru Nakamura, Susumu Murakami, and Haruhiko Udono
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 011302-1-6

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.011302

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal expansion of semiconducting silicides b-FeSi2 and Mg2Si2015

    • 著者名/発表者名
      Motoharu Imai, Yukihiro Isoda, Haruhiko Udono
    • 雑誌名

      Intermetallics

      巻: 67 ページ: 75-80

    • DOI

      10.1016/j.intermet.2015.07.015

    • 査読あり
  • [学会発表] Ga 溶媒を用いて成長した単相MnSi1.75-x 結晶の粒径観察2016

    • 著者名/発表者名
      堀俊平, 鵜殿治彦
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-21
  • [学会発表] 不純物を添加した溶融マグネシウムシリサイド結晶の耐酸化性2016

    • 著者名/発表者名
      今野嵩、大坪翼、中野浩平、鵜殿治彦
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-20
  • [学会発表] 垂直ブリッジマン法で成長した高純度Mg2Si 結晶の結晶性評価2016

    • 著者名/発表者名
      中野浩平、大坪翼 、今野嵩、鵜殿治彦
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-20
  • [学会発表] マグネシウムシリサイドの結晶成長と熱電・赤外線センサ応用2016

    • 著者名/発表者名
      鵜殿治彦
    • 学会等名
      日本結晶成長学会 バルク成長分科会 第98回研究会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2016-03-04
    • 招待講演
  • [学会発表] 高マンガンシリサイド結晶の溶液成長と結晶粒の大径化2015

    • 著者名/発表者名
      堀 俊平, 鵜殿治彦
    • 学会等名
      平成27年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会
    • 発表場所
      日立シビックセンター
    • 年月日
      2015-11-28
  • [学会発表] 高純度Mg2Si結晶成長と結晶評価2015

    • 著者名/発表者名
      中野浩平, 大坪翼, 今野嵩, 鵜殿治彦
    • 学会等名
      平成27年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会
    • 発表場所
      日立シビックセンター
    • 年月日
      2015-11-28
  • [学会発表] 不純物を添加したマグネシウムシリサイド溶融単結晶の熱安定性 (Ⅱ)2015

    • 著者名/発表者名
      今野嵩, 大坪翼, 中野浩平, 鵜殿治彦
    • 学会等名
      平成27年度電気学会東京支部茨城支所研究発表会
    • 発表場所
      日立シビックセンター
    • 年月日
      2015-11-28
  • [学会発表] Electrical Property of Single-phase HMS Grown by Temperature Gradient Solution Growth Method using Ga and Sn Solvent2015

    • 著者名/発表者名
      S. Hori, M. Iioka, S. Jimba, Y. Hara and H. Udono
    • 学会等名
      SSDM2015
    • 発表場所
      札幌国際会議場
    • 年月日
      2015-09-29
    • 国際学会
  • [学会発表] 溶液法で合成した単相 MnSi1.75-x の電気特性 ( II )2015

    • 著者名/発表者名
      堀俊平 , 飯岡優 , 原嘉昭 , 鵜殿治彦
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-09-15
  • [学会発表] beta-FeSi2 およびMg2Si の熱膨張2015

    • 著者名/発表者名
      今井基晴 , 磯田幸宏 , 鵜殿治彦
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-09-15
  • [学会発表] 溶液成長した単相高マンガンシリサイドへの不純物添加と熱電特性2015

    • 著者名/発表者名
      陣場成行、鵜殿治彦
    • 学会等名
      第12回日本熱電学術講演会(TSJ2015)
    • 発表場所
      九州大学 春日キャンパス
    • 年月日
      2015-09-07
  • [学会発表] 不純物を添加したマグネシウムシリサイド溶液単結晶の熱安定性2015

    • 著者名/発表者名
      大坪 翼、大竹秀明、鵜殿治彦
    • 学会等名
      第12回日本熱電学術講演会(TSJ2015)
    • 発表場所
      九州大学 春日キャンパス
    • 年月日
      2015-09-07
  • [学会発表] Mg2Si素子におけるMgOの影響2015

    • 著者名/発表者名
      水戸 洋彦,鵜殿 治彦
    • 学会等名
      第12回日本熱電学術講演会(TSJ2015)
    • 発表場所
      九州大学 春日キャンパス
    • 年月日
      2015-09-07
  • [学会発表] Mg2Si 中への Bi, Sb不純物添加による格子定数と熱伝導率への影響2015

    • 著者名/発表者名
      今野嵩 ,大坪翼 ,鵜殿治彦
    • 学会等名
      シリサイド系半導体と関連物質研究会 第16回夏の学校
    • 発表場所
      九州大学 山の家
    • 年月日
      2015-07-15
  • [学会発表] Effect of Bi and Sb dopant on lattice thermal conductivity in melt grown Mg2Si2015

    • 著者名/発表者名
      T.Otsubo,H.Otake,T.Shiga,J.Shiomi,K.Itakura,H.Udono
    • 学会等名
      Material Research Socirty 2015 Spring Meeting
    • 発表場所
      San Francisco
    • 年月日
      2015-04-08
    • 国際学会

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公開日: 2017-01-06  

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