Nanostructuring with Functional Particles and Metal Doping to Enhance the Performance of Bulk Thermoelectric Material

利用功能颗粒和金属掺杂进行纳米结构增强体热电材料的性能

• 批准号: 21J12616
• 负责人: 永廣 怜平
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12616/
• 关键词: 熱電変換; ナノ構造; シリコン; 焼結; バルク; 金属ドーピング

本研究では，熱電デバイスへの実装を想定した高速焼結による低熱伝導率バルク熱電材料の作製手法を開発し，安価なシリコン熱電材料の熱電変換効率および費用対効果を向上を目的に研究を進めてきた．前回報告の時点では，高速焼結により粒成長を抑制し，熱伝導率を低減させつつも，高い電気特性をもつ，シリコンバルク熱電材料を作製できる高速焼結手法を確立し，報告した．その後は，メカニズム解明に注力し，物性測定・構造解析を中心に研究を進めてきた．低圧かつ高速で焼結を行うことで，ナノ粒子が部分的に接合された狭い伝導路を持つナノ粒子がネットワーク化される．この手法で部分的に接合した界面にはひずみが印加され，XRD，ラマン分光，音速測定，AFMナノインデンテーションなどの種々の構造解析から定量的に材料内，特に界面においてLattice softeningの効果が確認された．Lattice softeningの効果により，界面での高い電子透過率を維持しながら，フォノン輸送を優先的に抑制することが可能となり，結果として，ｎ型とp型両方のバルクシリコン材料において，727Kで0.6-0.7，室温で0.1-0.2という高いｚTを記録した．これは従来のバルクシリコン材料の5～10倍に相当する．また，このような性能が高い材料を開発できたことに触発され，実際に構造最適化を行ったデバイスに搭載し，IoTデバイスのデモ実験も行った．6対のｎ，ｐ型の素子（一素子あたりのサイズ：2×2×8mm^3）において，熱源と室温の温度差が約75℃の環境下では65.0μW/cm2の発電量が確認され，実際にIoTデバイスに接続した場合にも，24時間の間に平均36分の間隔でセンシング出来ることが確認された．

This study で は, thermoelectric デ バ イ ス へ の be loaded を scenarios し た high-speed 焼 knot に よ る low thermal 伝 conductivity バ ル ク thermoelectric materials の system technique を open 発 し, Ann 価 な シ リ コ ン thermoelectric materials の - in sharper rate お よ び cost unseen seaborne fruit を を up purpose を に research into め て き た. Report back before の point で は, high-speed 焼 knot に よ り grain growth を inhibit し, low thermal 伝 conductivity を さ reduction せ つ つ も, high electric 気 い features を も つ, シ リ コ ン バ ル ク system of thermoelectric materials を で き る high-speed 焼 junction technique を し, report し た. After そ and そ, メカニズム is clarified. Youdaoplaceholder2 force injection そ, physical property determination and structural analysis を center に research を enters めて た た た. Low 圧 か つ high-speed で 焼 line "を う こ と で, ナ ノ particles が part に joint さ れ た narrow い 伝 guide を hold つ ナ ノ particle が ネ ッ ト ワ ー ク change さ れ る. こ の technique で part に joint し た interface に は ひ ず み が Inca さ れ, XRD, ラ マ ン spectral, determination of the speed of sound, AFM ナ ノ イ ン デ ン テ ー シ ョ ン な ど の kind 々 の structure か ら quantitative に materials, special に interface に お い て Lattice softening の unseen fruit が confirm さ れ た. Lattice softening の unseen fruit に よ り, interface で の い electronic high transmittance を maintain し な が ら, フ ォ ノ ン conveying を priority に inhibiting す る こ と が may と な り, results と し て, n-type と p-type struck party の バ ル ク シ リ コ ン material に お い て, 727 k で 0.6 0.7, Room temperature で0.1-0.2と う う う high で zTを record た た. <s:1> れ 従 従 従 is 5 to 10 times に equivalent to する. ま た, こ の よ う な が い high performance materials を open 発 で き た こ と に touch 発 さ れ, be interstate に line structure optimization を っ た デ バ イ ス に carry し, IoT デ バ イ ス の デ モ be 験 も line っ た. 6 pairs of <s:1> n, p-type <s:1> quaternions (one quaternion あた あた <s:1> サ ズ ズ : 2 x 2 x 8 mm ^ 3) に お い て, の が temperature difference of heat と room temperature about 75 ℃ の environment で は 65.0 mu W/cm2 の 発 electricity が confirm さ れ, be interstate に IoT デ バ イ ス に meet 続 し た occasions に も, 24 time between の に 36 points average の interval で セ ン シ ン グ out る こ と が confirm さ れ た.

项目成果

強非平衡性を利用したバルクSi熱電変換材料の開発

利用强非平衡态开发体硅热电转换材料

• 发表时间: 2022
• 作者: 陳莉偉;大内靖夫;神川あずさ;橋本友美;北本昂大;豊野哲也;相原一;臼井智彦;宮井尊史;永廣怜平，許斌，大西正人，寺嶋真伍，岩瀬英治，塩見淳一郎
• 通讯作者: 永廣怜平，許斌，大西正人，寺嶋真伍，岩瀬英治，塩見淳一郎

常温型Si熱電デバイスに向けた低熱伝導率Siバルク熱電材料の作製

用于室温硅热电器件的低导热硅块体热电材料的制备

• 发表时间: 2022
• 作者: Nakayama;K.; Kamiya;H.; Okada;Y.;岩永紘和;永廣怜平，許斌，大西正人，寺嶋真伍，岩瀬英治，塩見淳一郎
• 通讯作者: 永廣怜平，許斌，大西正人，寺嶋真伍，岩瀬英治，塩見淳一郎

TiH2によるSiバルク熱電材料への金属ドーピングおよびナノ構造化の検討

使用 TiH2 检查硅体热电材料的金属掺杂和纳米结构

• 发表时间: 2021
• 作者: 陳莉偉;大内靖夫;神川あずさ;橋本友美;北本昂大;豊野哲也;相原一;臼井智彦;宮井尊史;中川雄大;永廣怜平，許斌，塩見淳一郎
• 通讯作者: 永廣怜平，許斌，塩見淳一郎