超音波を応用した熱電変換性能を有する物質の合成

本研究のポイントは粉末状の元素単体から化合物半導体の合成をする際に試料温度を制御しながら超音波を照射する手法の有効性を示すことであるが、さらに注目していることは超音波照射の際のキャビテーションによるエネルギー変換プロセスを経ずに振動エネルギーの利用可能性を示すことであり、またその振動の定量的評価を行うことである。ここで合成の目的とした物質は(Bi0.3Sb0.7)2Te3の組成を持つ化合物で熱電変換材料としてよく知られる合金でもある。合成の概略は元素単体粉末を試料容器に入れ超音波発振器(定格周波数19.5 kHz、最大出力600W、最大振幅20μm)で加振すると外部からの電気炉による補助加熱を併用しながら摂氏450度の温度を保持しつつ60min程度の反応時間で良い状態の上記化合物を合成することができる。このこと自体は以前の我々の研究でもわかっていたことであるが超音波振動の影響を合成に必要なエネルギーと定量的に比較することが課題であった。これを解決するためには試料への振動評価をする必要があるが、ここでは試料容器に貼付したひずみゲージで超音波ホーンからの軸方向、垂直方向および水平方向の3方向の動的ひずみを測定することを試みた。具体的には超音波発振出力を最小(超音波加振なし)から最大出力(600W)までをおおよそ4等分した出力に分けて容器に伝搬する振動を直行する各軸方向で評価し、その結果を高速フーリエ変換(FFT)して解析した。この結果から発振器の定格周波数に一致する変位が観察されると同時に、その強度比については軸方向が最も大きく軸方向 > 垂直方向 > 水平方向となることがわかった。また標記化合物の合成に必要なエネルギーと振動のエネルギーを相対的に比較し、合成時の試料微結晶粒界への影響を考察することができた。

本研究のポイントは粉末状の元素単体から化合物半導体の合成をする際に試料温度を制御しながら超音波を照射する手法の有効性を示すことであるが、さらに注目していることは超音波照射の際のキャビテーションによるエネルギー変換プロセスを経ずに振動エネルギーの利用可能性を示すことであり、またその振動の定量的評価を行うことである。ここで合成の目的とした物質は(Bi0.3Sb0.7)2Te3の組成を持つ化合物で熱電変換材料としてよく知られる合金でもある。合成の概略は元素単体粉末を試料容器に入れ超音波発振器(定格周波数19.5 kHz、最大出力600W、最大振幅20μm)で加振すると外部からの電気炉による補助加熱を併用しながら摂氏450度の温度を保持しつつ60min程度の反応時間で良い状態の上記化合物を合成することができる。このこと自体は以前の我々の研究でもわかっていたことであるが超音波振動の影響を合成に必要なエネルギーと定量的に比較することが課題であった。これを解決するためには試料への振動評価をする必要があるが、ここでは試料容器に貼付したひずみゲージで超音波ホーンからの軸方向、垂直方向および水平方向の3方向の動的ひずみを測定することを試みた。具体的には超音波発振出力を最小(超音波加振なし)から最大出力(600W)までをおおよそ4等分した出力に分けて容器に伝搬する振動を直行する各軸方向で評価し、その結果を高速フーリエ変換(FFT)して解析した。この結果から発振器の定格周波数に一致する変位が観察されると同時に、その強度比については軸方向が最も大きく軸方向 > 垂直方向 > 水平方向となることがわかった。また標記化合物の合成に必要なエネルギーと振動のエネルギーを相対的に比較し、合成時の試料微結晶粒界への影響を考察することができた。