セラミックス熱電変換材料の変換効率を上げるための電子構造の制御

控制电子结构提高陶瓷热电转换材料的转换效率

基本信息

批准号：
06750720
负责人：
岸本堅剛
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1994
资助国家：
日本
起止时间：
1994 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、セラミックス熱電材料について、その微細構造、特に粒界構造の制御による熱電性能改善の可能性を理論的および実験的に調べた。本研究によって得られた成果は以下のとおり。1.粒界を利用したセラミックスについてのモデル計算熱電セラミックスに移動度の高い粒界層を導入して、その粒界層での量子効果による熱電性能向上の可能性について考察した。シミュレーション実験の結果、粒界層厚さaを小さくするか、あるいは、結晶粒サイズbを小さくすれば、熱電性能指数Zを大幅に改善できることがわかった。例えば、FeSi_2系セラミックスの中に移動度の高いSiGeの粒界層を導入した場合、a=b=50nmのとき、Zは約10倍も向上できる。すなわち、よりミクロなレベルでの微細構造制御を行うことにより、熱電性能改善が可能であることが明らかになった。2.プラズマ処理により微細構造制御したセラミックスの熱電気的特性焼結前の原料微粒子をプラズマ中にて表面処理することにより、セラミックスの微細構造、特に粒界構造を制御して、熱電性能指数Z(∝μ/κ)の向上を図った。GeH_4あるいはGeH_4/SiH_4プラズマ処理によって、FeSi_2系セラミックスの熱伝導率κは室温から800Kまでの温度範囲で約30%低減した。一方、移動度μについても500K以下の温度領域で改善効果が現れ、低温ほどそれは顕著になった。その結果、FeSi_2セラミックスの性能指数Zは大幅に改善され、室温では約50%アップした。また、SiGe系セラミックスについても同様のプラズマ処理効果が現れた。例えば、GeH_4プラズマ処理によってSi_<80>Ge_<20>の移動度が約2倍に向上した。以上より、プラズマ処理による微細構造制御が熱電性能の改善に有効であることがわかった。

在这项研究中，我们通过控制陶瓷热电材料（尤其是晶界结构）来改善陶瓷热电材料的热电性能的可能性。从这项研究中获得的结果如下：1。使用晶界对陶瓷的模型计算，我们检查了将高度迁移率晶界层引入热电陶瓷的可能性，并改善了由于晶界层中量子效应而引起的热电性能。模拟实验表明，通过减小晶界层厚度A或减小晶粒尺寸B，可以显着改善功绩Z的热电图。例如，当将高弹性sige晶粒边界层引入FESI_2陶瓷时，当a = b = 50 nm时，z可以提高约10倍。也就是说，已经揭示了可以通过更微观级别进行微结构控制来改善热电性能。 2。通过血浆处理控制的陶瓷的热电特性。通过在血浆中烧结之前对原材料细颗粒的表面处理，控制了陶瓷的细胞结构，尤其是晶界结构，并改善了功绩Z（∝μ/κ）的热电图。通过GEH_4或GEH_4/SIH_4等离子处理，FESI_2陶瓷的热导率κ在从室温到800K的温度范围内降低了约30％。另一方面，迁移率μ在500K或更低的温度范围内也显示出改善的效果，在较低温度下，这变得更加明显。结果，FESI_2陶瓷的功绩Z的数字得到了显着改善，在室温下增加了约50％。对于SIGE陶瓷也可以看到相同的血浆治疗效果。例如，GEH_4等离子体治疗使Si_ <80> GE__ <20>的迁移率增加了大约两倍。从上面可以发现，血浆处理的精细结构控制有效改善热电性能。