Development of new processes for manufacturing high-performance thermoelectric materials using ultra-high pressure technology

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これまで、熱電変換材料の様々な設計指針が提案され、多くの研究が行われてきたが、熱電発電を普及させるのに必要な性能には至っていない。このような状況の中、熱電変換材料の性能を向上させる全く新しい手法を開発することは重要である。熱電変換材料の性能は、ゼーベック係数の二乗および、電気伝導率に比例し、電子熱伝導率、格子熱伝導率に反比例する。格子熱伝導率以外のパラメータは、全てキャリア濃度の関数であり、トレードオフの関係にある。そこで、キャリア濃度の最適化に加えて格子熱伝導率の低減が高性能材料開発の鍵となる。我々は、カゴ状物質であるスクッテルダイト化合物において、20 GPa 以上の超高圧力の印加により、カゴを形成する原子がカゴ内部に充填される新しい現象「圧力誘起自己充填反応」を発見し、この反応により生成される自己充填相において格子熱伝導率が著しく低下することを見出した。この自己充填相は、超高圧を利用した特殊な製造プロセスを経なければ得ることができない。本研究では、このような超高圧下における特異な反応に着目し、超高圧技術を駆使した熱電変換材料の性能を向上させる新たな開発手法を確立することを目的とした。このような研究目的の下、本年度は、最も低い圧力で自己充填反応が起きるRhSb3の自己充填相をマルチアンビルプレスを用いて作製し、格子熱伝導率の低減機構の解明を目指し、核磁気共鳴実験を行なった。その結果、 局所的な構造変化が生じている可能性が示唆される結果を得た。今後、構造モデルを仮定して電場勾配の計算を行い、実験結果との比較を行う予定である。また、ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧実験の準備を進め、新たな加熱機構を設計・製作し、問題なく加熱できるとを確認した。今後、放射光X線を用いた実験を行い、温度ー圧力相図の決定と、自己充填反応による構造変化を詳細に調べる予定である。