| 研究実績の概要 |
本研究課題は、熱電発電モジュールの性能を左右させる材料サイドの課題に焦点を当て、性能とコスト面で両立する新規材料を探索し、機能と物性の関係を明らかにすることを目指している。第一原理計算からポテンシャルの高い候補材料を選定し、組成比の調整や元素置換を通したキャリア濃度・バンド構造の最適化により、電気出力因子の最大化を行う。最終年度は主に、研究対象物質として、これまでの二ヵ年に取り組んできた、フェルミ準位近傍に狭ギャップを形成するSb系Zintl化合物に加え、フェルミ準位近傍に擬ギャップを形成するTsai型クラスター固体に関する研究を行い、以下の研究成果を得た。
(1)Sb系Zintl化合物
CaAl2Si2型の結晶構造を有するAZn2Sb2(A:Ca,Sr,Eu,Yb)Zintl化合物は、700K付近で高い特性を示す新規材料である。この中でも、EuZn2Sb2とYbZn2Sb2は高いキャリア移動度を有しており、結果として高い無次元熱電性能指数zTを示す。本年度は、EuZn2Sb2をベースとして、Euの濃度依存性およびEu-Yb置換効果を系統的に調べた結果、Yb置換を行った試料においてzTの向上が認められた。その要因として、キャリア濃度の最適化により電気出力因子を維持したまま、合金化散乱により熱伝導率が低減したことによる。
(2)Tsaiクラスター固体
近年発見されたTsaiクラスター固体の中でも、特に広い生成域を有するAu-Al-Gd系近似結晶に着目した。熱電物性と電子構造(擬ギャップ)の関係を解明し、Tsai型クラスター固体の中で最も高い電気出力因子を示す材料の創製に成功した。873Kにおける270μW/mK2という値は、準結晶系で最も高いzTを示すAl-Ga-Pd-Mn系準結晶を上回る値である。
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