溶融合成法を用いた高性能シリサイド系熱電材料の創製 -最低熱伝導率への挑戦-

利用熔融合成法制造高性能硅化物热电材料 -挑战最低热导率-

• 批准号: 18J11055
• 负责人: 永井 宏樹
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18J11055/
• 关键词: 熱電変換; マンガンシリサイド; 結晶構造; 単結晶; 層状欠陥

実用化可能な性能を示すマンガンシリサイドの作製を目指し，MnサイトのCo置換とCr置換を行い，それらが微細組織や熱電特性に及ぼす影響を調査した．液相を経て単結晶のマンガンシリサイドを作製した際には，その試料内にマンガンモノシリサイド層状欠陥があらわれる．この層状欠陥が存在していることで試料内にクラックが形成されやすく，マンガンシリサイドの機械的強度を損ねるため，これを除去する必要がある．これまでに，特定の元素で部分置換を行うと，層状欠陥が抑制されることは報告されていたが，なぜ抑制されるのかは明らかとなっていない．本研究では，溶融合成により単結晶マンガンシリサイドを作製し，電子顕微鏡観察や粉末X線回折 (XRD) 測定を行うことにより，CoやCrで部分置換した場合でも，ある一定の置換量を超えると層状欠陥が消失することを明らかにした．また，Rietveld解析を用いた結晶構造解析を行ったところ，粉末XRDパターン中の特定の回折ピークとマンガンモノシリサイド層状欠陥の間に密接な関係があることが分かった．熱電特性に関しては，Co置換やCr置換することで，ホールキャリア密度が増加した結果，電気伝導率が増加し無置換試料と比較して出力因子が大きく向上した．また，いずれの元素置換試料においても，元素置換量が増加するにつれて，格子熱伝導率が減少した．特に，Cr置換試料では，Co置換の場合と比べて固溶限が広いため，格子熱伝導率が大きく低減された．その結果，本研究では無次元性能指数zTを大きく向上させることに成功し，無置換マンガンシリサイド単結晶の2倍以上のzTを達成した．

The possible performance of the application was investigated by Co substitution and Cr substitution for Mn. In the liquid phase, the crystalline phase of the sample is separated from the crystalline phase of the sample. The existence of such a layered defect in the sample results in the formation of a defect in the mechanical strength of the sample, which must be removed. This is the first time that a specific element has been partially replaced by a layer of material. In this study, the dissolution and fusion of Co and Cr were studied by X-ray diffraction (XRD). Rietveld analysis is used to analyze the crystal structure. The powder XRD analysis is used to analyze the crystal structure. Thermoelectric characteristics are related to Co substitution and Cr substitution. As a result, the density of the sample increases. The electrical conductivity increases. Compared with the sample without substitution, the output factor increases. In addition, the amount of element substitution in the sample increases, and the lattice thermal conductivity decreases. In particular, Cr substitution sample is the case of Co substitution, the solid solution limit is higher than that of Cr substitution sample, and the lattice thermal conductivity is lower than that of Cr substitution sample. As a result, this study has successfully achieved a non-dimensional performance index zT of more than twice the zT of crystals without substitution.

项目成果

Effects of Cobalt Substitution on Crystal Structure and Thermoelectric Properties of Melt-Grown Higher Manganese Silicides

钴取代对熔融生长高锰硅化物晶体结构和热电性能的影响

• DOI: 10.1007/s11664-019-06958-5
• 发表时间: 2019
• 期刊: Journal of Electronic Materials
• 影响因子: 2.1
• 作者: Hiroki Nagai;Haruki Hamada;Kei Hayashi;and Yuzuru Miyazaki
• 通讯作者: and Yuzuru Miyazaki

溶融合成した Cr 置換マンガンシリサイドの微細組織と熱電特性

熔融合成Cr取代硅化锰的微观结构和热电性能

• 发表时间: 2018
• 作者: 永井宏樹;林慶;宮﨑讓
• 通讯作者: 宮﨑讓

Effects of Co substitution on crystal structure and thermoelectric properties of melt-grown higher manganese silicides

Co取代对熔融生长高锰硅化物晶体结构和热电性能的影响

• 发表时间: 2018
• 作者: Hiroki Nagai;Haruki Hamada;Kei Hayashi;and Yuzuru Miyazaki
• 通讯作者: and Yuzuru Miyazaki