低熱伝導率系熱電材料を用いた環境調和型高出力発電モジュールの開発

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近年、熱電材料をナノレベルで構造制御する事で熱電性能が飛躍的に向上する事が明らかになっている。これは材料中のナノ構造により、電気的キャリアはあまり影響を受けずフォノンだけが選択的に散乱され、熱伝導率だけが効果的に低減される事に起因している。本年度は、Co-Mn-O系相分離系酸化物の微細構造を熱処理条件を変化させる事により制御し、それら微細構造の違いが熱電特性、特に熱伝導率に与える影響について調べた。Co_<1.5>Mn_<1.5>O_4スピネル酸化物は、特定の熱処理を施す事により、結晶構造と組成の違う2相に分離する。本研究では、Co_<1.5>Mn_<1.5>O_4焼結体を1150℃からクエンチ(空冷)させた試料,50,6,3K/hで室温まで降温した試料4種類を作製した。クエンチした試料以外は、仕込み組成のCo_<1.5>Mn_<1.5>O_4の組成と比較して、Coリッチな立方晶とMnリッチな正方晶の2相にデンドライト状に分離した。また、降温時間を長くするにしたがって一つ一つの相が成長し、相間隔も拡がった、クエンチした試料では、正方晶のCo_<1.5>Mn_<1.5>O_4の単相が得られたが、相内部に双晶組織が多く含まれる事が確認された。各試料の熱伝導率を評価したところ、50,6,3K/hで室温まで降温した試料では、降温速度が速い程、つまり一つ一つの相の大きさが小さく、相間隔が狭い試料の方が、低い熱伝導率を示した。これは、相界面の増加によりフォノンが効果的に散乱された事によると思われる。また、正方晶のCo_<1.5>Mn_<1.5>O_4の単相で、相内部に双晶組織が多く含まれる試料(クエンチした試料)は、最も低い熱伝導率を示し、さらに電気伝導率/熱伝導率の比が最も高かった。これは、双晶などの結晶格子の不整合が電気的なキャリア(この場合はホール)を散乱しにくく、フォノンを選択的に散乱している事を示唆している。したがって、こういった双晶組織などの結晶格子の不整合を、相分離を利用して意図的に材料中につくり込む事が熱電特性の向上に効果的であると結論づけられる。