点欠陥制御によるMg2Sn熱電材料の高性能化～室温近傍でzT>1への挑戦～

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熱電材料の性能は，無次元性能指数 zT (= S2σT/κ)と出力因子 PF (= S2σ) で表される．ここで，S, σ, T, および κはそれぞれ，ゼーベック係数，電気伝導率，絶対温度，および熱伝導率である．本研究の目的は，Mg2Sn単結晶へのMg空孔欠陥の導入によるκの低減と，キャリア密度の最適化による PF の向上によって，zTが1を超えるMg2Sn熱電単結晶を創製することである．先ず，Mg2Sn単結晶作製時のAr雰囲気を陽圧下にすることで，Mg2Sn単結晶にMg空孔欠陥を導入した．熱電性能に関して，κはMg空孔欠陥量の増加にともない減少した．Mg空孔欠陥量が最も多いMg2Sn 単結晶のκ は，これまでに報告された無置換Mg2Sn 単結晶 と無置換 Mg2Sn 多結晶のκ よりも低かった．続いて元素部分置換でキャリア密度を最適化することで，PFの向上を試みた．Sb, Bi, およびBを部分置換元素として選び，それらの元素を部分置換した単結晶を作製した．それらの単結晶のキャリア密度を測定した結果，Sbで部分置換したMg2Sn単結晶において，PFが最も高くなることがわかった．このPFの値は，これまでに報告されたn型Mg2Sn系熱電材料の中で最も高い値であった．また，単結晶構造解析の結果，Sbで部分置換したMg2Sn単結晶にもMg空孔欠陥が存在していることがわかった．Mg空孔欠陥が存在していたことで，Sb部分置換Mg2Sn単結晶の κ は，これまでに報告されたSb部分置換Mg2Sn多結晶のそれよりも低かった．結果として，Sb部分置換Mg2Sn単結晶で，無置換Mg2Sn単結晶とSb部分置換Mg2Sn多結晶よりも高い zT = 0.72を得た．これらの研究成果は，英語論文，国内外の学会，およびプレスリリースで報告した．