フォノンドラッグ効果を利用した高効率ナノ構造化熱電変換材料の開発

利用声子拖曳效应开发高效纳米结构热电转换材料

基本信息

批准号：
16J09152
负责人：
三浦飛鳥
金额：
$ 1.22万
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：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

基礎材料をイットリウム鉄ガーネット(YIG)として，結晶粒径を系統的に変化させたバルク焼結体を作製し，Pt/YIG/Pt系に対して10 Kから300 Kの温度域でスピンゼーベック起電力と熱伝導率の温度依存性の測定および比較を行った．なお，試料の作製に関してはナノ粒子の作製には遊星型ボールミル，焼結には放電プラズマ焼結機を用いた．また，熱伝導率測定には定常法を用い，ゼーベック係数はPt/YIG/Pt試料の上下面をサファイア基板で挟み込んだ系に対してヒーターを用いて温度差を印加して測定した．平均粒径が2.25 μmおよび0.55 μmであるバルク焼結体を作製し，単結晶および平均粒径が20.0 μmである市販多結晶体の熱伝導率およびスピンゼーベック起電力を比較した．ナノ構造化により熱伝導率およびスピンゼーベック起電力ともに単結晶に比べ低下した．また，粒径の減少とともに両者は低下し，熱伝導およびスピンゼーベック効果に寄与するフォノンおよびマグノンの粒界散乱を系統的に確認した．加えて，スピンゼーベック起電力のナノ構造化による低減率は熱伝導率に比べ大きく，これはスピンゼーベック効果に寄与するマグノンおよびフォノンの輸送特性長が熱伝導に寄与するフォノンに比べ長いためと考えられる．なお，この結論はスピンゼーベック起電力および低温での熱伝導率の磁場依存性の測定結果から導かれるものと一致していた．また，単結晶の場合熱伝導率とスピンゼーベック起電力には強い正の相関があることが確認されたが，適切なナノ構造化により熱伝導率とスピンゼーベック起電力の相関を弱めることができることが分かった．このため，ナノ構造化を用いて熱伝導率とスピンゼーベック起電力を独立に制御し熱電変換効率を向上できる可能性を示した．以上の成果をPhysical Review Materials誌にて発表した．

以钇铁石榴石（YIG）为基本材料，制备了晶粒尺寸系统变化的块状烧结体，并在 10 K 至 300 K 的温度范围内观察到 Pt/YIG/Pt 的自旋塞贝克现象。我们测量并比较了功率和热导率的温度依赖性。在样品制备方面，采用行星式球磨机制备纳米颗粒，并采用放电等离子体烧结机进行烧结。此外，采用稳态方法测量热导率，并通过使用加热器向系统施加温差来测量塞贝克系数，其中Pt/YIG/Pt样品的顶面和底面夹在中间蓝宝石衬底。制备平均晶粒尺寸为2.25μm和0.55μm的块状烧结体，并比较单晶和平均晶粒尺寸为20.0μm的市售多晶体的热导率和自旋塞贝克电动势。由于纳米结构，热导率和自旋塞贝克电动势均低于单晶。我们还系统地证实了声子和磁子的晶界散射，它们都随着晶粒尺寸的减小而减小，并有助于热传导和自旋塞贝克效应。此外，纳米结构导致的自旋塞贝克电动势的降低率比热导率的降低率大，这被认为是因为有助于自旋塞贝克效应的磁子和声子的输运特征长度比热导率长。声子，这有助于热传导。这一结论与低温下热导率的自旋塞贝克电动势和磁场依赖性的测量结果一致。此外，已证实在单晶的情况下热导率和自旋塞贝克电动势之间存在很强的正相关性，但我发现通过适当的纳米结构可以削弱热导率和自旋塞贝克电动势之间的相关性。出去。因此，我们证明了通过使用纳米结构独立控制热导率和自旋塞贝克电动势来提高热电转换效率的可能性。上述结果发表在Physical Review Materials上。

项目成果

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专利数量（0）

Study on thermal conductivity and spin Seebeck effect in nanostructured bulk YIG

纳米结构块体YIG热导率和自旋塞贝克效应研究

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
Asuka Miura;Takashi Kikkawa;Ken-ichi Uchida;Ryo Iguchi;Eiji Saitoh;Junichiro Shiomi
通讯作者：
Junichiro Shiomi

HPT加工にて作製したバルクシリコンの熱電特性

HPT 工艺制备块体硅的热电性能

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Asuka Miura;Takashi Kikkawa;Ryo Iguchi;Ken-ichi Uchida;Eiji Saitoh;Junichiro Shiomi;小西翔太，柏木誠，三浦飛鳥，塩見淳一郎;河野正道，川脇秀一，SIVASANKARAN Harish，三浦飛鳥，生駒嘉史，高田保之
通讯作者：
河野正道，川脇秀一，SIVASANKARAN Harish，三浦飛鳥，生駒嘉史，高田保之

多孔質シリコン粒子を用いた熱電材料の開発

使用多孔硅颗粒开发热电材料

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Asuka Miura;Takashi Kikkawa;Ryo Iguchi;Ken-ichi Uchida;Eiji Saitoh;Junichiro Shiomi;小西翔太，柏木誠，三浦飛鳥，塩見淳一郎
通讯作者：
小西翔太，柏木誠，三浦飛鳥，塩見淳一郎

ナノ構造科バルクシリコンの熱伝導率およびフォノンドラッグ効果の粒径依存性

纳米结构体硅的热导率和声子拖曳效应的粒径依赖性