Development of high-performance thermoelectric materials using impurity states formed near the band edge

日本が2050年までに実現を目指すカーボンニュートラル社会の構築に寄与する高性能熱電材料を開発するための革新的技術として，本課題研究では，『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』を確立することを目的とする．計算科学的手法（線形応答理論を用いた物性予測，第一原理計算（バンド計算，クラスター計算）による電子構造評価）と，先端的計測手法（高分解能レーザー励起光電子分光法，バルク敏感な硬Ｘ線光電子分光，放射光構造解析，中性子非弾性散乱測定）を駆使した解析を行う．また，多彩な手法で作製した試料に対して， 電子構造改質の影響を検証するために，2-1000 Kに亘る広い温度領域での精密熱電物性測定を実施する．2022年度に実施した研究では，Si-Ge系熱電材料を高性能化する指針として，ボールミルにより作製したナノ結晶を低温高圧焼結にて粒成長することなく高密度化するプロセスの高度化を行った．このプロセスでは，粒径が極めて小さいことにより粉末状態での試料表面が大きくなり，ボールミルのポットから試料をとり出し，パルス通電焼結を行うまでの間に酸化することが問題となっていた．酸化の度合いは，1at.%以下から最大で5at.%にも達し，酸素濃度の増大に伴い比抵抗が著しく増大することで熱電性能を下げることを明らかにした．プロセスにおける酸化をできるだけ少なくする方法を開発することで，酸素濃度が1at.%以下の試料を作製することに成功した．次に，非調和格子振動により0.5Wm-1K-1以下の格子熱伝導度を示す化合物半導体であるAg2SxSe1-xを研究対象とした．電子構造計算から予測した不純物準位を利用することで，熱電性能を20%以上向上させることに成功した．

日本が2050年までに実現を目指すカーボンニュートラル社会の構築に寄与する高性能熱電材料を開発するための革新的技術として，本課題研究では，『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』を確立することを目的とする．計算科学的手法（線形応答理論を用いた物性予測，第一原理計算（バンド計算，クラスター計算）による電子構造評価）と，先端的計測手法（高分解能レーザー励起光電子分光法，バルク敏感な硬Ｘ線光電子分光，放射光構造解析，中性子非弾性散乱測定）を駆使した解析を行う．また，多彩な手法で作製した試料に対して， 電子構造改質の影響を検証するために，2-1000 Kに亘る広い温度領域での精密熱電物性測定を実施する．2022年度に実施した研究では，Si-Ge系熱電材料を高性能化する指針として，ボールミルにより作製したナノ結晶を低温高圧焼結にて粒成長することなく高密度化するプロセスの高度化を行った．このプロセスでは，粒径が極めて小さいことにより粉末状態での試料表面が大きくなり，ボールミルのポットから試料をとり出し，パルス通電焼結を行うまでの間に酸化することが問題となっていた．酸化の度合いは，1at.%以下から最大で5at.%にも達し，酸素濃度の増大に伴い比抵抗が著しく増大することで熱電性能を下げることを明らかにした．プロセスにおける酸化をできるだけ少なくする方法を開発することで，酸素濃度が1at.%以下の試料を作製することに成功した．次に，非調和格子振動により0.5Wm-1K-1以下の格子熱伝導度を示す化合物半導体であるAg2SxSe1-xを研究対象とした．電子構造計算から予測した不純物準位を利用することで，熱電性能を20%以上向上させることに成功した．