2015 Fiscal Year Annual Research Report
バンドエンジニアリングによる新規熱電変換材料の創製と構造機能物性の解明
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26709051
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
高際 良樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電池材料ユニット エコエネルギーグループ, 研究員 (90549594)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 廃熱利用 / 物性実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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、機能と物性の相関を明らかにすることを目的としている。第一原理計算から高い熱電特性を得る可能性のある合金系を選定し、組成比の調整や元素置換によるキャリア濃度の調整により、材料特性の最適化を行う。本年度は、研究対象物質として、昨年度から引き続き、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、Al系金属間化合物、ボロン化合物に加え、今年度は新たに、フェルミ準位近傍に擬ギャップを形成するTsai型クラスター化合物に焦点を当てた。本年度の主要研究成果として以下の2つが挙げられる。
1)Al系金属間化合物
MoSi2型の結晶構造を有するAl6Re5Si4相がフェルミ準位近傍に狭バンドギャップを形成する可能性があることを、第一原理計算から示唆された。しかし、合成例や電気的・熱的な特性を報告した文献が乏しかった為、試料作製プロセスの確立から行った。単相性の高い高密度バルク試料に対して熱電物性測定を行ったところ、AlとSiの組成を変化させることにより、p型にもn型にも特性を制御できることが判明した。また、得られる電気出力因子は最大で、1.6mW/m-K2を越える高い値を示す。単一放物バンドモデルによる解析の結果、作製した試料は最適なキャリア濃度を有していることが明らかになった。今後は、元素置換等により、熱伝導率の格子成分を低減させる事が考えられる。
2)Tsai型クラスター化合物
Au-Al-RE(RE:Yb,Tm,Gd)系Tsai型準結晶及び近似結晶を対象に、ｆ電子由来の共鳴準位の形成が熱電物性に与える影響を調べた。また、その他のTsai型クラスター化合物の熱電物性を比較した結果、Au-Al-RE系近似結晶が最も高い特性を示し得ることを明らかにした。
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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
研究実績の概要で述べた2つの主要成果に加え、①ボロン化合物、及び、②Sb系Zintl化合物の熱電性能向上に成功した。①に関しては、主にA_1サイト及びD,Eサイトを占有するCuをドーパントとして用いることにより、n型材料としての特性向上に成功した。Cuドープに関しては、Slackらによる先駆的な研究成果が報告されているが、ドーパントの固溶限界まで系統的に熱電物性を測定されていなかった。アーク溶解法と放電プラズマ法を併用し、単相性の高いバルク試料を作製し、熱電物性測定を行ったところ、Cu4.0B105の組成において、最も高い無次元熱電性能指数zTを示すことが明らかとなった。これは、Slackらによる先行研究よりもCu濃度の高い組成である。装置の制約上、実験では973Kまでの温度範囲に限られているが、高温熱電材料としてはより高温域での特性評価が望まれる。②に関しては、Sb系Zintl化合物AZn2Sb2(A:Sr,Ca,Yb,Eu)の中でも最も移動度の大きいEuZn2Sb2に着目した。初年度は、EuZn2Sb2のEuの組成を変化させることによって、キャリア濃度の調整と原子空孔の導入による格子熱伝導率の低減に成功したが、zTの大きな向上には至らなかった。本年度は、EuZn2Sb2に次いで移動度の大きいYbZn2Sb2とEuZn2Sb2とを固溶させることにより特性向上を目指した。EuとYbの価数の違いにより、キャリア濃度の調整が可能になった。また、合金化散乱によって格子熱伝導率が減少したことによって、zTの向上に成功し、EuxZn2Sb2系よりも大きなzTを示した。
以上、実績の概要で述べた主要成果2点及び上記の2点の研究成果とを併せて考えると、現在までの本研究課題の進捗状況としては、「おおむね順調に進展している」と評価できると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度から主に着手したTsai型クラスター化合物に関しては、引き続き、新規材料の作製と熱電物性の評価を進め、Tsai型クラスター化合物における最も高い性能を示す合金系を見出す。また、Sb系Zintl化合物に関しては、概ね実験データが出揃っているが、更なる物性理解の為には、Hall効果測定によるキャリア濃度と移動度の温度依存性のデータが不足している。これらのデータを取得し、成果報告に結びつけたい。
一方、本年度新たに見出した、フェルミ準位近傍に狭バンドギャップを形成する新規Al系金属間化合物に関する知見を拡大させるべく、第一原理計算及び実験を併用した研究を次年度で展開する。とりわけ、本研究課題の主目的である、性能とコストの両面を満たす材料として期待される。
最終年度では、本年度、放射光施設SPring-8にて取得した粉末XRDデータを用いて、各種材料の構造評価と結合性評価を行い、物性との対応を調べることに注力する。
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| Causes of Carryover |
今年度導入のグローブボックスの導入費用が想定よりも下回った為。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
高純度原料材料費、熱電物性測定用・放電プラズマ焼結用等の各種消耗品費に加え、成果発表の為の学会参加費及び旅費へ充当する予定である。
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