Defect Engineeringによるシリサイド系熱電変換材料の特性改善

通过缺陷工程改善硅化物基热电转换材料的性能

基本信息

批准号：
03F00247
负责人：
乾晴行
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

我々の研究グループは,最近,Reシリサイド(ReSi_<1.75>)が無次元性能指数(ZT)1に迫る高い熱電変換特性を示すことを発見し,この高い熱電変換特性は格子中でのシリコン空孔の規則配列に起因し,単結晶ではこのシリコン空孔が一次元に空孔チャンネルを作る方向に特に特性がよいことを見出している.本研究では,このようなReシリサイドやチムニー・ラダー構造をとるRuシリサイドを取り上げ,遷移金属の少量(1〜2at.%)添加により,結晶欠陥(シリコン空孔の濃度,規則配列あるいはチムニー・ラダー構造における面欠陥)をナノ・スケールで導入制御し,ナノ構造の可視化解析とともに,"Defect Engineering"の観点から,熱電変換シリサイド系化合物の熱電変換特性を劇的に向上させるための指針を得ることを目的としている.本年度は,Reシリサイドの一次元空孔チャンネルの密度と配列を価電子設計から変化させ,熱電特性の向上を試みた.2元系では無次元性能指数は[001]方向で特に優れ,800KでZT=0.75を示す.Reとの価電子数の多寡により空孔濃度を増減させることができ,その結果インコメンシュレート相が形成されるが,合金元素量増加に伴いインコメンシュレート構造は,シアー構造からアダプティブ構造へと変化する。この変化がおきる合金組成は合金元素に依存し,Mo,W, Alなどでは少ない添加量でこの変化がおこるものの,Ru, Fe, Cr, Nbなどでは固溶限ぎりぎりまでシアー構造が安定となる.熱電特性は概して,シアー構造を取る場合に低く,アダプティブ構造を取る場合に高い.たとえば,2%程度の合金添加でアダプティブ構造が形成されるMo添加の場合,[001]方向で得られた無次元性能指数は800KでZT=0.85(n型)であり,2元系Reシリサイドをはるかに凌駕する.また,SiをAlで置換すると,結晶全体としては大きな微細構造の変化はないものの,双晶境界に局所的に,アダプティブ構造が散在して形成され,[010]方向の無次元性能指数は400KでZT=1(p型)を超える高い性能を示した.

我们的研究小组最近发现Re硅化物（ReSi_<1.75>）表现出接近1的无量纲品质因数（ZT）的高热电转换性能，而这种高热电转换性能是由于晶格中的硅空位所致。由于孔的规则排列，人们发现单晶中的硅空位在一维形成空位通道的方向上具有特别好的性质。在本研究中，我们将重点关注具有烟囱梯结构的Re硅化物和Ru硅化物，并通过添加少量（1至2 at.%）过渡金属来改善晶体缺陷（硅空位的浓度）、规则排列或烟囱结构）。・纳米级梯形结构的平面缺陷的引入和控制，以及纳米结构的可视化和分析，本研究的目的是从“工程”的角度获得显着提高热电转换硅化物基化合物的热电转换性能的指导方针。我们试图通过改变设计来提高热电性能。二元系统中的无量纲性能[001]方向的指数特别好，在800K时显示ZT=0.75。空位浓度可以根据Re的价电子数而增加或减少，结果形成绝缘相。随着合金元素含量的增加，不相称结构由剪切结构转变为适应性结构。发生这种变化的合金成分取决于合金元素；对于Mo、W、Al等，添加量较小时就会发生这种变化，但对于Ru、Fe、Cr、在Nb等中，剪切结构在固溶极限下是稳定的，通常，当采用剪切结构时热电性能较低，而当采用自适应结构时热电性能较高，例如通过添加形成自适应结构。添加约2%的合金时，在[001]方向获得的无量纲品质因数为ZT=0.85( n型），远远超过二元Re硅化物。此外，当Si被Al取代时，虽然晶体整体的微观结构没有发生重大变化，但在孪晶边界处局部产生了适应性结构。以分散的方式形成，[010]方向的无量纲品质因数在400K时表现出超过ZT = 1（p型）的高性能。