パノスコピック構造制御による高性能熱電材料の創製

通过全景结构控制创造高性能热电材料

• 批准号: 15J08353
• 负责人: 佐藤 直大
• 金额: $ 2.18万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 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 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J08353/
• 关键词: 熱電変換材料; チムニーラダー相; 狭バンドギャップ半導体; 非整合複合結晶; 層状カルコゲナイド; 第一原理計算; 格子熱伝導率; トンネル構造

今年度は，主に以下の2点について研究を遂行した．(1)熱的安定性を向上させた鉄-ゲルマニウム系チムニーラダー相FeGeγのキャリア濃度制御，(2)極端に低い格子熱伝導率を有する層状物質In2Te5の第一原理格子熱伝導率計算．以下にそれぞれの内容について詳細を述べる．(1)前年度に，n型熱電材料として有望である非整合チムニーラダー相FeGeγのFeサイトにRuを置換することで熱的安定性が改善し，より高温における熱処理が可能になることが分かった．本年度は，Ruとドーパント元素の共置換後の高温熱処理によって，従来は熱処理温度の制限のために困難であったキャリアドーピングが可能になったかどうかを検証した．その結果，MnやRe置換ではSeebeck係数の変化がリジッドバンド的な振る舞いを示さず，出力因子の改善には至らなかったため，フェルミ準位近傍の電子構造への影響を考慮したドーパント元素選択が必要だということが分かった．(2)層状構造を有するIn2Te5多結晶の熱伝導率を測定したところ，600K付近で0.3Wm-1K-1程度の極めて低い値を示した．第一原理に基づく格子熱伝導率計算を行ったところ，van der Waals相互作用で弱く結合した層間方向で格子熱伝導率が最も低く，実験値をよく再現した．くわえて，In2Te5は価電子帯上端近傍に多数のバレーを有し，キャリア濃度の制御ができれば高い出力因子を示すことが期待される．本研究では，パノスコピック構造制御により良質な電気的特性を維持したまま格子熱伝導率を極限まで低減した高性能熱電材料を実現することを総括的な目的としていたが，精密な微細組織の制御による性能向上の実現には至らなかった．しかし，第一原理計算の援用により有望な候補物質を複数抽出することに成功しており，今後の熱電材料研究において重要な知見が得られたと考えている．

This year,, the main focus is on に and the following two points に に て て て research を to carry out た. (1) thermal stability を up さ せ た iron objects - ゲ ル マ ニ ウ ム department チ ム ニ ー ラ ダ ー phase FeGe gamma の キ ャ リ ア concentration suppression, (2) low extreme に い lattice thermal 伝 conductivity を す る layered material In2Te5 の first hot 伝 conductivity principle of grid computing. The following にそれぞれ にそれぞれ content に に て て て details を べる. (1) year before に, n-type thermoelectric materials と し て could で あ る nonintegrated チ ム ニ ー ラ ダ ー phase FeGe gamma の Fe サ イ ト に Ru を replacement す る こ と で thermal stability が improve し, よ り high-temperature に お け る hot 処 Richard が may に な る こ と が points か っ た. This year は Ru と ド ー パ ン ト element の total replacement の after high temperature hot 処 Richard に よ っ て, 従 は hot 処 of temperature limitations の の た め に difficult で あ っ た キ ャ リ ア ド ー ピ ン グ が may に な っ た か ど う か を 検 card し た. そ の results, Mn や Re replacement で は の Seebeck coefficient variations change が リ ジ ッ ド バ ン ド な vibration る dance い を shown さ ず, output factor の improve に は to ら な か っ た た め, フ ェ ル ミ quasi a nearly alongside の electronic structure へ の influence を consider し た ド ー パ ン ト element sentaku が necessary だ と い う こ と が points か っ た. (2) layered structure を す る In2Te5 more crystalline の 伝 heat conductivity determination of を し た と こ ろ, pay nearly 600 k で Wm 0.3-1 k - 1 degree の め extremely low て い numerical を shown し た. First principle に base づ く grid line hot 伝 conductivity calculation を っ た と こ ろ, van der Waals interaction で weak く combining し た で grid interlayer direction hot 伝 low conductivity が most も く, be 験 numerical を よ く reappearance し た. く わ え て, In2Te5 は 価 electronic 帯 top most nearly alongside に の バ レ ー を し, キ ャ リ ア concentration の suppression が で き れ ば い high output factor を shown す こ と が expect さ れ る. This study で は, パ ノ ス コ ピ ッ ク tectonic suppression に よ り characteristics of good quality electric 気 な を maintain し た ま ま lattice thermal 伝 conductivity を limit ま で low cut し た high-performance thermoelectric materials を be presently す る こ と を 総 enclosed な purpose と し て い た が, precision な fine texture の suppression に よ る performance up の be presently に は to ら な か っ た. し か し, first principles calculation の invoking に よ り could な alternate material を plural spare す る こ と に successful し て お り, future の thermoelectric materials research に お い て important な know see が ら れ た と exam え て い る.

项目成果

チムニーラダー化合物TEγ (T = Ru, Fe, E = Al, Ga, Ge)の熱電物性

梯状烟囱化合物TEγ的热电性能（T=Ru、Fe、E=Al、Ga、Ge）

• 发表时间: 2015
• 作者: Naoki Sato;Hideyasu Ouchi;Yoshiki Takagiwa and Kaoru Kimura;佐藤直大，大内秀恭，高際良樹，桑原彰秀，内田紀行，木村薫
• 通讯作者: 佐藤直大，大内秀恭，高際良樹，桑原彰秀，内田紀行，木村薫

First-Principles-Based Phonon Calculation and Raman Spectroscopy Measurement of RuGa₂ and RuAl₂ with High Thermoelectric Power Factors

基于第一性原理的高热电功率因数RuGa₂和RuAl₂声子计算及拉曼光谱测量

• DOI: 10.2320/matertrans.mf201605
• 发表时间: 2016
• 期刊: MATERIALS TRANSACTIONS
• 影响因子: 1.2
• 作者: Naoki Sato;Yoshiki Takagiwa;Akihide Kuwabara;Noriyuki Uchida and Kaoru Kimura
• 通讯作者: Noriyuki Uchida and Kaoru Kimura

CEA/Grenoble(フランス)

CEA/格勒诺布尔（法国）

チムニーラダー相FeGeγの熱的安定性と熱電特性における元素置換効果

元素替代对烟囱梯相FeGeγ热稳定性和热电性能的影响

• 发表时间: 2017
• 作者: Naoki Sato;Hideyasu Ouchi;Yoshiki Takagiwa and Kaoru Kimura;佐藤直大，高際良樹，桑原彰秀，内田紀行，木村薫;飛田一樹，佐藤直大，北原功一，高際良樹，木村薫;Naoki Sato;佐藤直大
• 通讯作者: 佐藤直大

First-Principles Based Phonon Calculation and Raman Spectroscopy Measurement of RuGa₂ and RuAl₂ with High Thermoelectric Power Factor

基于第一性原理的高热电功率因数RuGa₂和RuAl₂声子计算及拉曼光谱测量

• DOI: 10.2320/jinstmet.ja201510
• 发表时间: 2015
• 期刊: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials
• 影响因子: 0.5
• 作者: Naoki Sato;Hideyasu Ouchi;Yoshiki Takagiwa and Kaoru Kimura;佐藤直大，高際良樹，桑原彰秀，内田紀行，木村薫
• 通讯作者: 佐藤直大，高際良樹，桑原彰秀，内田紀行，木村薫