全ての階層構造を制御した硫化物熱電材料とデバイスの開発

开发控制所有分级结构的硫化物热电材料和器件

• 批准号: 15F15068
• 负责人: 太田 道広
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15F15068/
• 关键词: 熱電変換; 層状結晶構造; ナノ構造制御; 配向制御; 未利用熱エネルギーの活用; 金属物性・材料; 電子・磁気物性; 金属・資源生産工学

本研究では、カルコゲナイドの一種である硫化物とテルライドに注目し、結晶構造、ナノ構造、マイクロ構造の各階層を制御して、これら熱電材料の熱電特性を向上させることを目標とした。以下に本研究の成果を挙げる。硫化ニオブ（NbS2）層と硫化ランタン（LaS）層から構成されるミスフィット層状硫化物(LaS)1.14xNbS2において、その低い熱伝導率の起源を調査した。その結果、NbS2層とLaS層の界面（結晶構造）、ならびにLaS層に導入されているナノサイズの格子歪み（ナノ構造）により、効果的なフォノン散乱が引き起こされ、その結果、低い熱伝導率がもたらされていることを見出した。マイクロ構造においては、結晶粒の配向制御に成功して電気特性の改善に成功した。これらの結果、従来材料と比較して、熱電性能指数ZTの30%向上を達成して、x = 1.05試料において、950 KでZT = 0.2を実現した。次に、ヨウ素（I）をドーパントとして使用したn型鉛テルライド（PbTe）において、マグネシウム（Mg）を添加することで5 nm程度のナノ構造を形成することに成功した。このナノ構造によるフォノンの効果的な散乱により、熱伝導率の低減を実現した。さらに、Mg添加により、直径30 μm程度の大きな粒と1 μm程度の細かな粒が共存するマイクロ組織を形成することにも成功した。共存マイクロ組織においてもフォノンが効果的に散乱されて、熱伝導率がさらに低減できた。これらの結果、PbTe0.9972I0.004-1 mol% MgTeにおいて、800 KでZT = 1.2という非常に大きな値を達成した。ここで事情により本研究開発の期間が二年間から一年間に短縮となったため、タイトルに含まれるデバイスの開発研究を実施できなかった。ただし、上記の通り、材料の開発研究において優れた成果を挙げることができた。

在这项研究中，我们专注于一种硫化物和Terride（一种癌化剂），旨在通过控制晶体结构的每一层，纳纳诺结构和微结构来改善这些热电材料的热电特性。这项研究的结果如下列出。研究了由硫化物（NBS2）层和灯笼（LAS）层（LAS）层组成的MISS -FIT层状硫化物（LAS）1.14XNBS2，研究了低热导率的起源。结果，有效的声子散射是由NBS层和LAS层的界面（晶体结构）以及LAS层中引入的晶格失真（纳米结构）引起的，这会导致有效的声子散射，从而导致A低导电率。在微型结构中，晶粒的分布控制成功，并成功改善了电特性。结果，与常规材料相比，热电指数ZT的30％改善得出，在X = 1.05个样品中，在950 K下实现了ZT = 0.2。接下来，在使用碘（i）作为掺杂剂的N型铅（PBTE）中，成功形成了镁（mg），形成了约5 nm的纳米结构。由于这种纳米结构而引起的声子的有效散射可降低导热率。此外，MG的添加成功地形成了一个微组织，该组织的直径约为30μm，共存约1μm。在共存的微组织中，声子有效散射，并进一步降低了导热率。结果，pbte0.9972i.004-1 mol％mgte在800 k时达到了非常大的zt = 1.2。在这种情况下，这本研究和开发的时期从两年缩短到一年，因此无法进行标题中包含的设备的开发和研究。但是，如上所述，我们能够在材料开发和研究中取得出色的成果。

项目成果

Nanostructured PbTe-based Thermoelectric Materials and Modules

纳米结构 PbTe 基热电材料和模块

• 发表时间: 2016
• 作者: Priyanka JOOD;Xiaokai HU;Masaru KUNII;Kazuo NAGASE;Hirotaka NISHIATE;Atsushi YAMAMOTO;Michihiro OHTA;Mercouri G. KANATZIDIS
• 通讯作者: Mercouri G. KANATZIDIS

Enhanced average thermoelectric figure of merit of n-type PbTe1-xIx-MgTe

• DOI: 10.1039/c5tc01652e
• 发表时间: 2015-01-01
• 期刊: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C
• 影响因子: 6.4
• 作者: Jood, Priyanka;Ohta, Michihiro;Kanatzidis, Mercouri G.
• 通讯作者: Kanatzidis, Mercouri G.

Nanostructural and Microstructural Ordering and Thermoelectric Property Tuning in Misfit Layered Sulfide [(LaS)x]1.14NbS2

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03365
• 发表时间: 2015-11
• 期刊: Chemistry of Materials
• 影响因子: 8.6
• 作者: P. Jood;M. Ohta;O. Lebedev;D. Berthebaud

All-Length-Scale Tuning in Thermoelectric Misfit Layered Sulfides

热电失配层状硫化物的全长尺度调谐

• 发表时间: 2015
• 作者: Priyanka JOOD;Michihiro OHTA;Oleg I. LEBEDEV;Atsushi YAMAMOTO;David BERTHEBAUD
• 通讯作者: David BERTHEBAUD

ナノ構造化による高性能PbTe熱電材料の開発とモジュール化

纳米结构高性能PbTe热电材料的开发和模块化

• 发表时间: 2015
• 作者: 太田 道広、HU;Xiaokai、JOOD;Priyanka、國井 勝、長瀬 和夫、西当 弘隆、KANATZIDIS;Mercouri G.、山本 淳
• 通讯作者: Mercouri G.、山本 淳