ダブルハーフホイスラー合成による新たな熱電性能向上指針の探索

本研究課題の目標は省エネルギー技術への適用を視野に熱エネルギーを直接電力に変換できる熱電材料の性能向上である。具体的には、４元系ハーフホイスラー材料を用いた新たな熱電変換の効率の向上指針提案を目指している。ダブル・トリプルハーフホイスラー材料は18電子の法則に基づいた組成設計によって結晶構造の安定化と性能の向上を実現できる可能性があるため性能向上を目指す材料設計指針として期待されている。今年度は化学的知見に基づき様々な４元系ハーフホイスラーの合成を試みた。異相の析出や、合成時の組成ずれによって熱電性能が大幅に変わってしまうため、溶融、機械合金化、アニールなど合成、安定化方法の最適化と、プロセスの探索を行った。その中でトリプルハーフホイスラーの合成に世界で初めて成功した。トリプルハーフホイスラー材料において均一かつ高純度な材料合成方法の確立を行ったうえで、組成や、合成方法の異なる各試料の熱電物性および微細組織構造の測定をすすめた。合成したトリプルハーフホイスラー材料では従来のハーフホイスラー材料に比べて大幅な熱伝導率の低減が実現されていることが確認された。高い電気的特性と優れた機械的特性を示すハーフホイスラー材料においては、熱伝導率を下げることが大きな課題となっているため、この結果はトリプルハーフホイスラーの合成が熱伝導率を低下させる戦略として有効であることを示している。一方で、トリプルハーフホイスラー合成による規則度の変化は観測されず、従来のハーフホイスラー材料と同様の結晶構造となり、合金化によるキャリアの散乱の影響で電気的性質は低下した。熱電性能の向上にはゼーベック係数、電気伝導率を高く保ったまま、熱伝導率を低減することが求められるため、今後組成の最適化や別の組成において結晶構造を安定化させることでさらなる性能向上をめざす。

本研究課題の目標は省エネルギー技術への適用を視野に熱エネルギーを直接電力に変換できる熱電材料の性能向上である。具体的には、４元系ハーフホイスラー材料を用いた新たな熱電変換の効率の向上指針提案を目指している。ダブル・トリプルハーフホイスラー材料は18電子の法則に基づいた組成設計によって結晶構造の安定化と性能の向上を実現できる可能性があるため性能向上を目指す材料設計指針として期待されている。今年度は化学的知見に基づき様々な４元系ハーフホイスラーの合成を試みた。異相の析出や、合成時の組成ずれによって熱電性能が大幅に変わってしまうため、溶融、機械合金化、アニールなど合成、安定化方法の最適化と、プロセスの探索を行った。その中でトリプルハーフホイスラーの合成に世界で初めて成功した。トリプルハーフホイスラー材料において均一かつ高純度な材料合成方法の確立を行ったうえで、組成や、合成方法の異なる各試料の熱電物性および微細組織構造の測定をすすめた。合成したトリプルハーフホイスラー材料では従来のハーフホイスラー材料に比べて大幅な熱伝導率の低減が実現されていることが確認された。高い電気的特性と優れた機械的特性を示すハーフホイスラー材料においては、熱伝導率を下げることが大きな課題となっているため、この結果はトリプルハーフホイスラーの合成が熱伝導率を低下させる戦略として有効であることを示している。一方で、トリプルハーフホイスラー合成による規則度の変化は観測されず、従来のハーフホイスラー材料と同様の結晶構造となり、合金化によるキャリアの散乱の影響で電気的性質は低下した。熱電性能の向上にはゼーベック係数、電気伝導率を高く保ったまま、熱伝導率を低減することが求められるため、今後組成の最適化や別の組成において結晶構造を安定化させることでさらなる性能向上をめざす。