2020 Fiscal Year Annual Research Report
Improvement of thermoelectric properties by use of impurity states, and development of new high-performance thermoelectric materials
| Project/Area Number |
18H01695
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
竹内 恒博 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293655)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / 熱電物性 / ナノ結晶 / 電子構造制御 / 電子構造計算 / 熱電素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の具体的な目的は『強散乱極限に達している縮退半導体のバンド端近傍に不純物準位を形成することで著しく小さな熱伝導度と大きな出力因子を共存させる手法を確立する』ことである．この条件は，電子構造・電子散乱・フォノン散乱を機能最適化のためにデザインすることに相当する.
この目的を達成するために，ナノ粒子から成るSi-Ge合金を作成し，伝導電子が強散乱極限に達している縮退半導体を作成した．バルク試料がナノ結晶を維持するように，アモルファス相を含むナノ結晶の粉末を高エネルギー遊星型ボールミルを駆使して作製し，その粉末を，粒成長が生じない温度領域で，通常の10倍程度の圧力をかけてパルス通電焼結する手法を用いた．
数不純物準位をバンド端近傍に形成する不純物として，電子構造計算から，n型材料としてはFeが，p型材料としてはAuやNiが適切であることを見出した．これらの元素を最大数at.%程度まで含み，かつ，PやBでキャリア濃度を調整した試料を作製した．
上記の手法により，Feを1at.%含んだ試料において，ZT = 3.7を示すn型材料を創製することに成功した．また，AuやNiを含むp型材料では，ZT = 1.8程度まで性能を向上させた．この結果は，本研究で提案する『強散乱極限に達している縮退半導体のバンド端近傍に不純物準位を形成することで著しく小さな熱伝導度と大きな出力因子を共存させる手法』が，高性能熱電材料を創製する手法として極めて優れていることを証明している．
Si-Ge系合金を材料設計指針が有効であることを示す典型例として示すことができた．一方で，指針の普遍性を示すことが課題として残った．他の合金でも，同様の指針を用いて熱電性能を高性能化することが必要であると考えている．
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Journal Article] Enhancement of the Thermoelectric Performance of Si-Ge Nanocomposites Containing a Small Amount of Au and Optimization of Boron Doping2020
Author(s)
Omprakash Muthusamy, Swapnil Ghodke, Saurabh Singh, Kevin Delime-Codrin, Shunsuke Nishino, Masahiro Adachi, Yoshiyuki Yamamoto, Masaharu Matsunami, Santhanakrishnan Harish, Masaru Shimomura, Tsunehiro Takeuchi
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Journal Title
Journal of Electronic Materials
Volume: 49
Pages: 2813-2824
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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