重元素部分置換とエネルギー選択散乱効果の併用による熱電材料の高性能化

结合重元素部分取代和能量选择性散射效应提高热电材料性能

• 批准号: 16K21463
• 负责人: 山本 晃生
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Toyota Technological Institute
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-01 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16K21463/
• 关键词: 熱電材料; 熱電物性; 電子構造; 第一原理バンド計算; 金属物性

未利用熱の有効利用によって省エネ社会へと貢献するために，廃熱を有効な電気エネルギーへ高効率に変換する”実用化に耐えうる環境調和な元素で構成される高性能熱電材料(高い無次元性能指数ZTを示す材料)を開発する”ことを目的としている．当初の研究計画に基づき，「①重元素部分置換とエネルギー選択散乱効果を併用することで，Mn-Si HMS相をZTを1.5まで向上させる」「②電子構造の特徴からの選定により新規高性能熱電材料を開発する」ことを実施した．MnをReで6 at.%部分置換することで，ZT= 1.04 (920K)に達することを既に報告している．ところが，ZT値がまだ十分大きくないことから，更なるZTの向上が望まれる．本材料に対して結晶粒径を微細化することでエネルギー選択散乱効果を導入した結果，ZT～1.5 (920K)に達する特性を得た．前述した試料の高いZT値を維持したまま材料価格を低減させるために，6 at.% Reで置換したMn-Si HMS相に対して，電子構造に対する考察から選定した安価/無害なTa及びWに一部置き代えると同時に，キャリア濃度を最適化した．その結果，開発したn型及びp型の費用対効果は，6at.% Reを含有するHMS相と比較すると，約2.4倍に達することから，実用材料候補として有望であると判断される．未利用廃熱量の60%以上は250℃以下の低温廃熱であることから，上記の温度域で高いZTを呈する熱電材料の開発が求められる．第一原理計算から得た電子構造と合成した物性の双方を比較検討した結果，FeVSbが有望な熱電材料であると判断した．ボルツマン方程式に基づく詳細な計算を行った結果，適切な置換元素を用いて重元素部分置換，及び，キャリア濃度の最適化を実施することで，500Kにおいてp型:ZT= 2.7，n型：ZT =0.97を示すことを明らかにした．

为了通过有效利用未使用的热量为节能社会做出贡献，我们正在开发高性能热电材料（由可承受实际使用的环保元素制成的高性能热电材料），可有效地将废热转化为有用的热量目的是开发具有维度品质因数 ZT 的材料。在原研究计划的基础上，“（1）通过结合重元素部分替代和能量选择散射效应，将Mn-Si HMS相的ZT提高到1.5”，“（2）创造新的高性能根据电子结构的特点来选择材料，开发热电材料。据报道，通过用 Re 部分替代 6 at.% 的 Mn，可以达到 ZT= 1.04 (920K)。然而，由于ZT值仍然不够大，因此需要进一步改进ZT。通过减小晶粒尺寸，向该材料引入能量选择性散射效应，获得了达到ZT~1.5（920K）的性能。为了降低材料成本，同时保持上述样品的高ZT值，我们用廉价/无害的Ta和W代替了用6 at.% Re取代的Mn-Si HMS相，这是出于电子考虑而选择的。同时，我们还优化了载流子浓度。因此，所开发的n型和p型的成本效益比含有6 at.% Re的HMS相高约2.4倍，因此它们被认为是有前途的实用材料候选者。由于60%以上的未利用余热是250℃以下的低温余热，因此需要开发在上述温度范围内表现出高ZT的热电材料。通过比较第一性原理计算得到的电子结构和合成的物理性质，我们确定FeVSb是一种有前途的热电材料。根据玻尔兹曼方程进行详细计算，通过使用适当的置换元素部分置换重元素并优化载流子浓度，p型：ZT=2.7，n型：ZT=0.97。

项目成果

Development of high performance thermoelectric materials consisting solely environmental friendly elements

开发仅由环保元素组成的高性能热电材料

• 发表时间: 2016
• 作者: Akio Yamamoto;Tsunehiro Takeuchi;山本晃生，山田竜也，竹内恒博;山本晃生，竹内恒博;Akio Yamamoto Tsunehiro Takeuchi
• 通讯作者: Akio Yamamoto Tsunehiro Takeuchi

所属研究機関における研究室ホームページ

附属研究机构实验室主页

Mnを(Ta,W,Re)で部分置換したHMS相に対してAgを少量添加したバルク体の熱電物性

在Mn被(Ta,W,Re)部分取代的HMS相中添加少量Ag的块体的热电性能

• 发表时间: 2016
• 作者: Akio Yamamoto;Tsunehiro Takeuchi;山本晃生，山田竜也，竹内恒博;山本晃生，竹内恒博
• 通讯作者: 山本晃生，竹内恒博

The Potential of FeVSb Half-Heusler Phase for Practical Thermoelectric Material

• DOI: 10.1007/s11664-016-4804-y
• 发表时间: 2017-05
• 期刊: Journal of Electronic Materials
• 影响因子: 2.1
• 作者: A. Yamamoto;T. Takeuchi

Thermoelectric performance of higher manganese silicide containing a small amount of 5d transition metal elements

含有少量5d过渡金属元素的高硅化锰的热电性能

• 发表时间: 2016
• 作者: Akio Yamamoto;Swapnil Ghodke;Masaharu Matsunami;Tsunehiro Takeuchi
• 通讯作者: Tsunehiro Takeuchi