全ての階層構造を制御した硫化物熱電材料とデバイスの開発

开发控制所有分级结构的硫化物热电材料和器件

• 批准号: 15F15068
• 负责人: 太田 道広
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15F15068/
• 关键词: 熱電変換; 層状結晶構造; ナノ構造制御; 配向制御; 未利用熱エネルギーの活用; 金属物性・材料; 電子・磁気物性; 金属・資源生産工学

本研究では、カルコゲナイドの一種である硫化物とテルライドに注目し、結晶構造、ナノ構造、マイクロ構造の各階層を制御して、これら熱電材料の熱電特性を向上させることを目標とした。以下に本研究の成果を挙げる。硫化ニオブ（NbS2）層と硫化ランタン（LaS）層から構成されるミスフィット層状硫化物(LaS)1.14xNbS2において、その低い熱伝導率の起源を調査した。その結果、NbS2層とLaS層の界面（結晶構造）、ならびにLaS層に導入されているナノサイズの格子歪み（ナノ構造）により、効果的なフォノン散乱が引き起こされ、その結果、低い熱伝導率がもたらされていることを見出した。マイクロ構造においては、結晶粒の配向制御に成功して電気特性の改善に成功した。これらの結果、従来材料と比較して、熱電性能指数ZTの30%向上を達成して、x = 1.05試料において、950 KでZT = 0.2を実現した。次に、ヨウ素（I）をドーパントとして使用したn型鉛テルライド（PbTe）において、マグネシウム（Mg）を添加することで5 nm程度のナノ構造を形成することに成功した。このナノ構造によるフォノンの効果的な散乱により、熱伝導率の低減を実現した。さらに、Mg添加により、直径30 μm程度の大きな粒と1 μm程度の細かな粒が共存するマイクロ組織を形成することにも成功した。共存マイクロ組織においてもフォノンが効果的に散乱されて、熱伝導率がさらに低減できた。これらの結果、PbTe0.9972I0.004-1 mol% MgTeにおいて、800 KでZT = 1.2という非常に大きな値を達成した。ここで事情により本研究開発の期間が二年間から一年間に短縮となったため、タイトルに含まれるデバイスの開発研究を実施できなかった。ただし、上記の通り、材料の開発研究において優れた成果を挙げることができた。

In this study, a kind of sulfide, crystal structure, structure and thermoelectric properties of thermoelectric materials were studied. The results of this study are summarized below. Investigation on the origin of low thermal conductivity of sulfide (LaS)1.14xNbS2 layer and sulfide (LaS) layer. The results show that the interface between NbS2 layer and LaS layer (crystal structure), the lattice structure of LaS layer, the dispersion of NbS2 layer and LaS layer, the low thermal conductivity and the low thermal conductivity are all present. The alignment control of crystalline particles in the structure of the crystal was successful in improving the electrical characteristics. The results show that the thermoelectric performance index ZT is 30% higher than that of the sample with x = 1.05 and ZT = 0.2 at 950 K. In addition, the formation of n-type lead (PbTe) and magnesium (Mg) was successfully carried out. The effect of the thermal conductivity reduction is realized. In addition, Mg was added, and large particles with diameters of about 30 μm and fine particles with diameters of about 1 μm were successfully formed. The blue shift is organized in such a way that the thermal conductivity decreases. PbTe 0.9972I0.004 -1 mol% MgTe is very high at 800 K. The development period of this study is from two years to one year. The results of the research on the development of materials are as follows:

项目成果

Nanostructured PbTe-based Thermoelectric Materials and Modules

纳米结构 PbTe 基热电材料和模块

• 发表时间: 2016
• 作者: Priyanka JOOD;Xiaokai HU;Masaru KUNII;Kazuo NAGASE;Hirotaka NISHIATE;Atsushi YAMAMOTO;Michihiro OHTA;Mercouri G. KANATZIDIS
• 通讯作者: Mercouri G. KANATZIDIS

Enhanced average thermoelectric figure of merit of n-type PbTe1-xIx-MgTe

• DOI: 10.1039/c5tc01652e
• 发表时间: 2015-01-01
• 期刊: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C
• 影响因子: 6.4
• 作者: Jood, Priyanka;Ohta, Michihiro;Kanatzidis, Mercouri G.
• 通讯作者: Kanatzidis, Mercouri G.

All-Length-Scale Tuning in Thermoelectric Misfit Layered Sulfides

热电失配层状硫化物的全长尺度调谐

• 发表时间: 2015
• 作者: Priyanka JOOD;Michihiro OHTA;Oleg I. LEBEDEV;Atsushi YAMAMOTO;David BERTHEBAUD
• 通讯作者: David BERTHEBAUD

Nanostructural and Microstructural Ordering and Thermoelectric Property Tuning in Misfit Layered Sulfide [(LaS)x]1.14NbS2

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03365
• 发表时间: 2015-11
• 期刊: Chemistry of Materials
• 影响因子: 8.6
• 作者: P. Jood;M. Ohta;O. Lebedev;D. Berthebaud

Enhanced Thermoelectric Performance of Layered Sulfides through All-scale Hierarchical Architecturing

通过全尺度分层结构增强层状硫化物的热电性能

• 发表时间: 2015
• 作者: Priyanka JOOD;Michihiro OHTA;Oleg I. LEBEDEV;David BERTHEBAUD
• 通讯作者: David BERTHEBAUD