Development of high-performance thermoelectric materials using impurity states formed near the band edge

利用能带边缘附近形成的杂质态开发高性能热电材料

基本信息

批准号：
21H01628
负责人：
竹内恒博
金额：
$ 11.56万
依托单位：
Toyota Technological Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

日本が2050年までに実現を目指すカーボンニュートラル社会の構築に寄与する高性能熱電材料を開発するための革新的技術として，本課題研究では，『強散乱極限に達している縮退半導体のバンド端近傍に不純物準位を形成することで著しく小さな熱伝導度と大きな出力因子を共存させる手法』を確立することを目的とする．計算科学的手法（線形応答理論を用いた物性予測，第一原理計算（バンド計算，クラスター計算）による電子構造評価）と，先端的計測手法（高分解能レーザー励起光電子分光法，バルク敏感な硬Ｘ線光電子分光，放射光構造解析，中性子非弾性散乱測定）を駆使した解析を行う．また，多彩な手法で作製した試料に対して，電子構造改質の影響を検証するために，2-1000 Kに亘る広い温度領域での精密熱電物性測定を実施する．2022年度に実施した研究では，Si-Ge系熱電材料を高性能化する指針として，ボールミルにより作製したナノ結晶を低温高圧焼結にて粒成長することなく高密度化するプロセスの高度化を行った．このプロセスでは，粒径が極めて小さいことにより粉末状態での試料表面が大きくなり，ボールミルのポットから試料をとり出し，パルス通電焼結を行うまでの間に酸化することが問題となっていた．酸化の度合いは，1at.%以下から最大で5at.%にも達し，酸素濃度の増大に伴い比抵抗が著しく増大することで熱電性能を下げることを明らかにした．プロセスにおける酸化をできるだけ少なくする方法を開発することで，酸素濃度が1at.%以下の試料を作製することに成功した．次に，非調和格子振動により0.5Wm-1K-1以下の格子熱伝導度を示す化合物半導体であるAg2SxSe1-xを研究対象とした．電子構造計算から予測した不純物準位を利用することで，熱電性能を20%以上向上させることに成功した．

作为开发高性能热电材料的创新技术，该技术将有助于创建日本目标到 2050 年实现的碳中和社会，该研究项目将重点关注“已达到其能带边缘的简并半导体”。本研究的目的是通过在其中形成杂质水平来建立一种同时存在极低热导率和大功率因数的方法。计算科学方法（使用线性响应理论的物理性质预测、使用第一性原理计算（能带计算、簇计算）的电子结构评估）和先进的测量方法（高分辨率激光激发光电子能谱、体敏感硬X）我们进行分析使用线光电子能谱、同步加速器辐射结构分析和非弹性中子散射测量。此外，为了验证电子结构修饰对使用各种方法制备的样品的影响，我们将在2至1000 K的宽温度范围内进行精密热电性能测量。在2022年进行的研究中，作为提高硅锗热电材料性能的指导方针，我们改进了采用低温高压烧结、无晶粒生长的球磨法生产的致密化纳米晶体的工艺。在此过程中，问题在于，由于颗粒尺寸极小，在将样品从球磨罐中取出到进行脉冲电流烧结期间，粉末状态下的样品表面变大并被氧化。结果表明，氧化程度从低于1 at.%到高达5 at.%，并且随着氧浓度的增加，电阻率显着增加，从而降低了热电性能。通过开发一种最大限度地减少工艺过程中氧化的方法，我们成功生产出了氧浓度低于 1 at.% 的样品。接下来，我们关注 Ag2SxSe1-x，这是一种化合物半导体，由于非简谐晶格振动，其晶格热导率低于 0.5Wm-1K-1。通过使用电子结构计算预测的杂质水平，我们成功地将热电性能提高了 20% 以上。

项目成果

期刊论文数量（41）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Thermoelectric properties of higher manganese silicide consolidated by flash spark plasma sintering technique

闪放电等离子体烧结技术固结高硅化锰的热电性能

DOI：
10.1016/j.jallcom.2022.166104
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
6.2
作者：
Seongho Choi; Kazuya Kubo; Naoki Uchiyama; Tsunehiro Takeuchi
通讯作者：
Tsunehiro Takeuchi

極小格子熱伝導度を示す化合物半導体Ag4.5Te3の熱電物性

具有最小晶格热导率的化合物半导体Ag4.5Te3的热电性能

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
武藤正憲; 平田圭佑; 竹内恒博; 松波雅治
通讯作者：
松波雅治

Si-Ge系熱電材料への酸化の影響

氧化对Si-Ge热电材料的影响

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
正岡伊織; 原敦; Omprakash Muthusamy; 廣瀬光太郎; 足立真寛; 山本喜之; 竹内恒博
通讯作者：
竹内恒博

Thermal conduction in titanium-chromium oxide natural superlattices with an ordered arrangement of nearly pristine interfaces

具有近乎原始界面有序排列的钛铬氧化物天然超晶格中的热传导

DOI：
10.1016/j.jallcom.2022.167915
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
6.2
作者：
Shunya Sugimoto; Gareoung Kim; Tsunehiro Takeuchi; Miho Tagawa; Toru Ujihara; Shunta Harada
通讯作者：
Shunta Harada

Significantly reduced lattice thermal conductivity with anharmonic lattice vibrations and band edge effect in electronic thermal conductivity in Ag2S1-x Se x (ｘ=0 - 0.6)

Ag2S1-x Se x (x=0 - 0.6) 中电子热导率中的非谐晶格振动和带边效应显着降低了晶格热导率