圧力誘起点欠陥を活用した超低熱伝導単結晶熱電材料の創出

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今年度の実績は以下の通りである。①Mg2X (X = Si,Ge,Sn)単結晶作製時のAr圧力を、従来の0.16 MPaより高い0.9 MPaまで上げられる高圧対応赤外線イメージ炉を導入し、同炉を用いてMg2Sn単結晶を試作した。Ar圧力は従来と同じ0.16 MPaとし、赤外線が集光する領域の大きさに合わせて原料の量を調整することで、Φ8mm×L10mmのMg2Sn単結晶を得ることができた。②n型で多結晶より高い無次元性能指数zTを示すSb置換Mg2Sn単結晶に対し、さらにBで共置換することにより、Sb置換のみの場合よりzTを向上することに成功した。これは、共置換による電気伝導率の減少を格子熱伝導率の減少が上回ったためである。③これまでp型ではGa置換Mg2Sn単結晶で多結晶よりも低い格子熱伝導率を得ていたが、ホールキャリアが少ないことが課題であった。これを解決するためにLi置換を行ったところ、Ga置換よりホールキャリアを増加することに成功した。さらにMg空孔欠陥、転位、Snリッチな析出物のマルチスケールな格子欠陥が導入され、Ga置換よりもさらに低い格子熱伝導率を得た。結果として、多結晶より高いzTを達成した。④Ar圧力0.04 MPaでMg2Ge単結晶を作製することに成功した。得られたMg2Ge単結晶にはMg空孔欠陥が存在していることを示唆する結果を得た。⑤Mg2Si単結晶にSi空孔欠陥が存在する理由を明らかにするために、電子状態計算、X線光電子分光、および光電子ホログラフィを行った。その結果、転位の位置に酸素が入り込み、Si空孔欠陥の形成を安定化している可能性が明らかになった。