2013 Fiscal Year Research-status Report
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25420699
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
太田 道広 独立行政法人産業技術総合研究所, エネルギー技術研究部門, 主任研究員 (50443172)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 金属物性 / 未利用熱エネルギー活用 / 熱電材料 / パナスコピック形態制御 / ナノ構造制御 / 積層欠陥 / 異方結晶粒成長 / 熱電発電モジュール |
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| Research Abstract |
本研究では、鉛カルコゲナイド（PbX (X: S, Se, Te)）系バルク体において、原子配置（結晶）、ナノ、マイクロ、ミリ構造の各階層の形態を制御（パナスコピック形態制御）することで、熱電特性の大幅改善と熱電発電モジュールの開発を目指している。
本研究では、まず、PbX層とビスマス・カルコゲナイド（Bi2X3）層を基本構造とした自然積層構造を持つ層状カルコゲナイドにおいて、原子配置（結晶構造）の制御を実施した。二つの層を、折り重なるように積層させたり、ミラー対称を持つように積層させたり、有限長に断層させたりと、層形態を変化させた層状カルコゲナイド（それぞれの組成は、Pb5Bi6Se14、Pb3Bi2S6、PbBi2S4）を作製して、熱電材料に相応しい低い熱伝導率を実現した。
次に、硫化ランタンと硫化クロムの層から成る(LaS)1.20CrS2において、ナノ構造の制御を実施した。LaSとCrS2の積み重ねに、ナノレベルで不規則（積層欠陥）を導入することに成功した。積層欠陥はキャリアを供給したり、逆にトラップしたりするために、積層欠陥を調整することで、熱電特性を向上させるために相応しいキャリア濃度を実現できる。
マイクロ構造制御では、Pb5Bi6Se14と(LaS)1.20CrS2の両方で、層状構造を反映させ、それら焼結体の結晶粒を異方的に成長させることに成功した。結晶粒界での効果的なフォノン散乱を実現し、熱伝導率の更なる低減を達成した。
最後に、ミリ構造制御として、PbTeバルク体熱電材料を用いて、熱電発電モジュールの試作を実施した。特性評価などの試験から、PbTeバルク体熱電材料との界面抵抗が低い電極材料を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究で、原子配置（結晶）、ナノ、マイクロ、ミリ構造の各階層の形態制御を、それぞれ異なる材料で独立的に実施してきた。各材料で、例えば、極端に低い熱伝導率を実現するなど、満足いく成果を得ている。三年計画の初年度で、計画していたすべての研究、すなわち、各階層の形態制御すべてに着手して、進捗状況に差はあるものの、一定の成果を得ている。後述する通り、研究発表も精力的に行うこともでき、自己評価では、「おおむね順調に進展している。」といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究では、各階層の形態制御を、それぞれ異なる材料で独立的に実施してきた。平成26年度以降の研究では、ここで得た知見を利用して、一つの材料において、すべてのパナスコピック形態制御を実施する。一つ一つの形態制御を独立に実施するだけでも、熱電特性を向上できるという成果を得ている。すなわち、パナスコピック構造制御を、一つの材料で統合的に実施することができれば、熱電性能指数を大きく改善できると期待される。もちろん、各形態制御は互いに相関を持っているので、独立制御に比べて難易度は向上する。本年度の研究で得た知見と手法を利用することで、この壁を乗り越えて、パナスコピック構造制御を一つの材料で実現する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
実験において、当初予定していたよりも専門的な作業が多くなり、実験補助者などに依頼できるルーチン的な作業が少なかった。そのため、想定していた人件費・謝金を使用することがなく、結果として次年度使用額が生じた。
一部の実験において、その手法が確立しつつあり、ルーチン化できる補助的な作業も多くなってきた。そこで、研究を加速させるために、平成26年度以降は、この作業を実験補助者に依頼することを計画している。次年度使用額は、そのための人件費・謝金として使用する予定である。
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