Search for a semiconducting quasicrystal and its application for thermoelectric materials by band engineering

通过能带工程寻找半导体准晶及其在热电材料中的应用

基本信息

批准号：
19J21779
负责人：
岩崎祐昂
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：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度はAl-Si-Ru系半導体近似結晶にCuを4at.%ドープすることで正孔密度を最適化し、500KでzT=0.2と無置換試料に比べて約7倍性能を向上させることに成功した。また、半導体準結晶の候補物質であるAl-Pd-Ru系準結晶の熱電特性が縮退半導体的な性質を示すことを明らかにし、単位胞当たり2~3個の電子をドープすることで半導体化することを予測した。今年度は上述の結果に対して以下の研究を遂行した。まず、Al-Si-Ru系近似結晶に関して、前年度ではp型の熱電特性最適化を試みたが、熱電発電モジュールの作製を見据えてp型だけでなくn型の熱電特性を最適化することを試みた。Al-Si-Ru系近似結晶に電子ドーパントとしてRhをドープした試料を作製し、熱電物性を測定した。その結果、ゼーベック係数は-200μV/Kを超える大きな値を示し、400KでzT=0.25と達成した。これまでにアルミ系準結晶・近似結晶ではn型の特性を示すものは存在せずn型が得られたのは今回が初めてである。更に、p型の準結晶・近似結晶系で最高の値であるAl-Ga-Pd-Mn系準結晶のzT=0.26とほぼ同じ値を示した。Al -Si-Ru系近似結晶でp,n両極性の試料が揃い、これらの材料系を用いた熱電発電モジュール開発の突破口を開いた。また、Al-Pd-Ru系準結晶に電子をドープすることで半導体化させるためにSiをドープした試料を作製したところ、無置換試料で準結晶相の単相試料だったものが、金属的な熱電物性を示す2/1近似結晶であるP２０相の単相になることが分かった。今後は液体急冷を用いることでSiを過飽和させた準結晶相の単相試料を作製することで、半導体準結晶の実現が期待できる。

去年，我们通过在Al-Si-Ru基半导体近似晶体中掺杂4 at.% Cu来优化空穴密度，并在500K下实现了zT=0.2，与未取代的样品相比，性能提高了约7倍。成功的。我们还发现，作为半导体准晶候选材料的 Al-Pd-Ru 准晶的热电性能表现出我所预测的类似半导体的性能。今年，我们基于上述成果开展了以下研究。首先，对于Al-Si-Ru系近似晶体，去年我们曾尝试优化p型热电性能，但着眼于热电发电模块的生产，优化p型热电性能非常重要。我不仅尝试了p型，还尝试了n型。我们制备了Al-Si-Ru近似晶体中掺杂Rh作为电子掺杂剂的样品，并测量了它们的热电性能。结果，塞贝克系数显示出超过-200μV/K的大值，并且在400K时实现了zT＝0.25。迄今为止，还没有铝基准晶或近似晶体表现出n型特性，这是首次获得n型晶体。此外，Al-Ga-Pd-Mn系准晶的zT=0.26几乎相同，这是p型准晶和近似晶系中的最高值。我们获得了Al-Si-Ru基晶体的p极和n极样品，并在利用这些材料开发热电发电模块方面取得了突破。此外，当我们制备掺杂Si的样品，通过掺杂电子将Al-Pd-Ru基准晶制成半导体时，我们发现未取代的单相准晶样品变成了金属。 P20相变成单相，是表现出热电性能的2/1近似晶体。未来，我们有望通过液体淬火技术制造具有过饱和硅的单相准晶样品来实现半导体准晶。