格子間サイト制御と三元系新物質探索によるマグネシウム－シリコン系熱電材料の創製

Mg2Si1－xSnx 三元系化合物において、結晶中の格子欠陥量は熱電性能を決定しうる重要な要因であるが，定量的に評価した報告はない．本年度は，高い熱電性能を有する Mg2Si1－xSnx 三元系化合物の格子欠陥量を単結晶X線を用いて評価した．まず Mg2Si1-xSnx 三元系化合物の端成分である Mg2Sn を作製し，格子欠陥量を評価した．結晶構造解析や Fourier マップの結果から，Mg2Sn には格子間サイトの Mg(Mgi) が存在しておらず，正規の Mg サイトは 3 - 6 % 程度欠損していることがわかった．Mgi はドナー型の欠陥，Mg サイトの欠損はアクセプター型の欠陥であることから，Mg2Si と比べるとMg2Sn の電子キャリアは減少し，ホールキャリアは増加していることが予想される．実際に熱電性能を測定したところ，Mg2Sn は室温で p 型伝導を示すことがわかった．以上から，Mg2Sn が p 型伝導を示す原因は，Mgi が存在しない一方で，Mg サイトが欠損しているためであると結論した．次に，Mg2Si1－xSnx 三元系化合物 (x = 0.2，0.4，0.6，0.8，0.9) の熱電性能と格子欠陥の関係性を調査した．結果として，組成 x の増加に伴い，Mg サイトの占有率および Mgi の占有率が減少する傾向が見られた．このため，Sn-rich 条件の Mg2Si1－xSnx 三元系化合物が p 型伝導を示す原因として，Mgi が減少する一方で，Mg サイト欠損量が増加しているためと結論した．熱電性能では組成 x の増加とともに，電子キャリアは減少し，ホールキャリアが増加する傾向が見られた．モジュールの作製には至らなかったが、Mg2Si1－xSnx 三元系において、n,p型熱電性能が向上する新しい指針を提案・実証した。

Mg2Si1－xSnx 三元系化合物において、結晶中の格子欠陥量は熱電性能を決定しうる重要な要因であるが，定量的に評価した報告はない．本年度は，高い熱電性能を有する Mg2Si1－xSnx 三元系化合物の格子欠陥量を単結晶X線を用いて評価した．まず Mg2Si1-xSnx 三元系化合物の端成分である Mg2Sn を作製し，格子欠陥量を評価した．結晶構造解析や Fourier マップの結果から，Mg2Sn には格子間サイトの Mg(Mgi) が存在しておらず，正規の Mg サイトは 3 - 6 % 程度欠損していることがわかった．Mgi はドナー型の欠陥，Mg サイトの欠損はアクセプター型の欠陥であることから，Mg2Si と比べるとMg2Sn の電子キャリアは減少し，ホールキャリアは増加していることが予想される．実際に熱電性能を測定したところ，Mg2Sn は室温で p 型伝導を示すことがわかった．以上から，Mg2Sn が p 型伝導を示す原因は，Mgi が存在しない一方で，Mg サイトが欠損しているためであると結論した．次に，Mg2Si1－xSnx 三元系化合物 (x = 0.2，0.4，0.6，0.8，0.9) の熱電性能と格子欠陥の関係性を調査した．結果として，組成 x の増加に伴い，Mg サイトの占有率および Mgi の占有率が減少する傾向が見られた．このため，Sn-rich 条件の Mg2Si1－xSnx 三元系化合物が p 型伝導を示す原因として，Mgi が減少する一方で，Mg サイト欠損量が増加しているためと結論した．熱電性能では組成 x の増加とともに，電子キャリアは減少し，ホールキャリアが増加する傾向が見られた．モジュールの作製には至らなかったが、Mg2Si1－xSnx 三元系において、n,p型熱電性能が向上する新しい指針を提案・実証した。