重い電子系を利用した革新的熱電デバイスの創製

使用重型电子系统创建创新热电设备

• 批准号: 21K18609
• 负责人: 松波 雅治
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Toyota Technological Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18609/
• 关键词: 重い電子系; 熱電材料

本研究は重い電子系の特性を活かした革新的熱電デバイスの創製に挑戦するものである．重い電子系は高い熱電出力因子が得られるにも拘わらず熱伝導度の低減が困難なために熱電材料としての実用化は進んでいない．この現状に対する逆転の発想として，本研究では熱伝導度が影響しない熱電デバイスに重い電子系の熱電特性を最適化することにより，既存の材料を凌駕する性能を有する熱電デバイスを開発することを目標としている．本年度も引き続き新しい重い電子系熱電デバイスの候補物質となるYbB6の試料作製に取り組んだ． YbB6においてはYbとBを化学量論比から僅かにずらすことによって極性を制御できることが知られており，様々な熱電デバイスへの応用が期待できるが，その詳しいメカニズムはよくわかっていない．これを理解するためには，組成比を制御したYbB6試料の高品質な単結晶を作製し，その熱電特性を基礎物性や電子構造と関連付けて調べる必要がある．昨年度は浮遊帯域溶融法を用いたが，今年度は組成比を制御するためにフラックス法を用いた単結晶の作製を進めた．単結晶試料YbB6+xの作製については，Yb，BとフラックスであるAlを3種類の組成比（x = -1.1, -0.7, 0）で秤量した．これらをアルミナ製のるつぼに入れて，高温真空炉で7時間かけて室温から1500 ℃まで昇温し，1日保った後に1時間当たり5 ℃で降温し，800 ℃以下では自然冷却した．その後， NaOH水溶液でフラックスを溶かすことで試料を得た．試料の評価はX線回折とラウエ回折を用いて行い，その結果としてYbB6+xの単結晶が作製できていることを確認した．これらの試料を用いた熱電特性測定の結果として，特にx=-0.7の試料においては，大きな負のゼーベック係数を示すことがわかり，出力因子は実用化されている熱電材料Bi-Te系のものに匹敵する値を示した．

这项研究将挑战创新的热电设备，利用重型电子系统的性质。尽管重型电子系统可以获得高热电输出因子，但很难降低导热率，因此作为热电材料的实际使用尚未进行。为了扭转这种当前情况，这项研究旨在开发具有性能的热电设备，通过在热电设备上优化重型电子系统的热电特性，从而超过现有材料，这对热电导率无效。今年，我们继续为YBB6准备样品准备，这是新型重型电子热电设备的候选物质。众所周知，在YBB6中，极性可以通过从化学计量比率稍微转移的Yb和B来控制，尽管可以将其应用于各种热电设备，但这种机制的详细机制却尚未得到充分了解。为了理解这一点，有必要准备具有控制组成比的YBB6样品的高质量单晶，并通过将它们与基本的物理特性和电子结构联系起来来检查其热电特性。去年，我们使用了浮动区熔化方法，但是今年我们使用通量方法来控制单晶体来控制组成比。为了制备单晶样品ybb6+x，yb，b和通量Al的三个组成比（x = -1.1，-0.7，0）。将它们放在由氧化铝制成的坩埚中，并在高温真空烤箱中从室温加热到1500°C。保存一天后，温度在每小时5°C下降低，并在800°C以下自然冷却。之后，将通量用水溶液溶液溶解以获得样品。使用X射线和LAUE衍射对样品进行评估，因此，确认产生了YBB6+X的单个晶体。由于使用这些样品的热电性能，发现显示了大的负seebeck系数，尤其是在X = -0.7的样品中，输出因子与实用热电BI-TE类型的输出因子相当。