産総研、新規熱電材料の新しい設計指針を提案

産業技術総合研究所(産総研)省エネルギー研究部門 熱電変換グループ 李 哲虎主任研究員と、九州大学 大学院総合理工学研究院 末國 晃一郎准教授らは共同で、新規高性能熱電材料の新しい設計指針を提案した。

熱電発電では熱の流れの一部を電気の流れに変換して発電する。高い熱電性能を得るには高い電気伝導率と低い熱伝導率を併せ持つ必要がある。これらは一般に相反する性質であるが、両立させるには、原子の大振幅振動(ラットリング)が有効であることが知られていた。しかし、これまでラットリングは原子がかご中に取り込まれた構造を持つカゴ状物質でのみ生じると考えられており、ラットリングによる熱電性能向上を期待できる材料系は限られていた。

再生可能エネルギーの大量導入時代を見据えて、光・熱・振動などを利用する発電技術の研究開発が盛んに行われている。その一つである熱電発電は、熱電材料(固体)を用いて自然熱や未利用廃熱、分散した微小熱を電力として回収する技術であり、省スペース・無振動・長寿命などの長所がある。

高効率な熱電発電には、ゼーベック係数が大きく、電気伝導率は高いが熱伝導率は低い材料が必要で、その候補としてカゴ状構造を持つtype-1クラスレート化合物や充填スクッテルダイト化合物などが知られている。これらの材料では、カゴ内原子のラットリングにより格子振動が乱されるため熱伝導率が低い。これまで、このラットリングの活用が高性能な熱電材料の開発指針の一つとされてきた。

今回、4種類のテトラヘドライト「Cu12Sb4S13」「Cu10Zn2Sb4S13」「Cu12As4S13」「Cu10Zn2As4S13」を合成し、それらの結晶構造を大型放射光施設「SPring-8」のビームラインにおける粉末X線回折実験で、格子振動を大強度陽子加速器施設「J-PARC」のビームライン(BL14 AMATERAS)における粉末中性子非弾性散乱実験で調べた。さらに、電子状態を第一原理計算によって調べた。

これらの実験から、全ての試料においてCu原子はS原子からなる三角形(S3三角形)に垂直な方向にラットリングしているが、その振幅とエネルギーが試料ごとに異なることが分かった。また、結晶構造パラメーターとラットリングの振幅を比較したところ、S3三角形の面積が小さいほど、振幅の大きさを表す原子変位パラメーターが大きいことを明らかにした。

今後は、既存の平面配位を取る物質について配位原子や中心原子を半径のより大きな原子で置換して面内における実効的な化学的圧力を強め、ラットリングを誘起させて熱伝導率を下げ、より高い性能を持つ新しい熱電材料の開発を目指す。

高効率な熱電変換を可能にする新しいタイプの大振幅原子振動

カテゴリー: 情報通信 , 製造   

大島 純一郎

大島 純一郎Author

証券系システムエンジニアやIT系資格対策問題集の編集、IT系Webメディアの編集記者などの経歴を生かして、企業向けIT関連の記事制作に携わる。専門は、IT、金融、医療分野。医療情報システムの企画/構築、運用に関する知識を有する専門者としての資格、医療情報技師、情報セキュリティアドミニストレータの保有者。

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