High mobility thermoelectric materials: clathrates with controlled electronic structure in caged crystal structure by guest atomic orbital selection

高迁移率热电材料：通过客体原子轨道选择在笼状晶体结构中具有受控电子结构的包合物

基本信息

批准号：
22K04699
负责人：
岸本堅剛
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

熱電材料としてクラスレート化合物が取り上げられた当初のモデルと違って，Ge系タイプ1クラスレートのキャリア伝導は，ホスト－ホスト間の混成軌道ではなく，ゲスト－ホスト間の混成軌道を利用している。したがって，そのキャリア伝導にはゲスト原子の原子軌道が影響する。従来の熱電クラスレートのゲスト原子はBaであった。代表者らはNaに着目している。Baのd軌道に比べて，Naのs軌道の方がキャリアにとって優良な伝導経路を形成できるのではないかと考えている。高性能材料を開発するために，最近合成したNa8Ga8Ge38を出発点として，その派生物の作製と特性評価を行った。1．カゴサイズ増減の影響：混晶化物Na8Ga8Ge38-xSixおよびNa8Ga8Ge38-xSnxのサンプル作製を試みた。前者ではx=4まで，後者ではx=0.5まで置換できた。その結果，格子定数は，それぞれ-0.3%と+0.14%だけ変化した。しかし，不純物相が存在したため，キャリア移動度は増加しなかった。2．ホスト置換原子の変更：ゲスト－ホスト間の混成軌道の形成には，Gaなどのホスト格子上の置換原子の存在が不可欠である。従来のGaからAlあるいはZnに代えたクラスレート化合物を作製した。Na8Al8Ge38では，共有結合半径の違い（Al: 126 pm, Ga: 124 pm, Ge: 121 pm）から混成の度合いが増し，Na8Ga8Ge38に比べて有効質量が微減した。それを受けてキャリア移動度の向上が期待されたが，一方でキャリアに対する合金散乱が微増したため，そうはならなかった。また，フォノン伝導に対する合金散乱が増えたため，格子熱伝導率が下がった。その結果，Na8Al8Ge38は，Na8Ga8Ge38に比べて高い無次元性能指数ZTを示した。Na8Zn4Ge42では，共有結合半径の違い（Zn: 118 pm, Ga: 124 pm）から混成の度合いが減り，Na8Ga8Ge38に比べて有効質量が増加した。その結果，キャリア移動度は減少した。

与原始模型不同的是，围层化合物以热电材料为特征，基于GE的1型载体的载体传导使用客人和宿主之间的混合轨道，而不是在主机和宿主之间的混合轨道。因此，来宾原子的原子轨道会影响载体传导。常规热电杂质的客人原子为BA。代表专注于NA。我们认为，与BA的D轨道相比，NA的S轨道可以为载体形成更好的传导路径。为了开发高性能材料，我们从最近合成的NA8GA8GE38开始，并生产并表征了其衍生物。 1。篮子尺寸的增加/减小：混合晶体Na8ga8Ge38-Xsix和Na8ga8Ge38-XSNX的样品。前者可以用x = 4代替，后者可以被x = 0.5取代。结果，晶格常数分别变化-0.3％和 +0.14％。但是，由于存在杂质阶段，载流子的迁移率没有增加。 2。修饰宿主取代原子：宿主晶格上的替代原子的存在，例如GA，对于在客人主持人之间形成杂交轨道是必不可少的。制备了来自常规GA的Al或Zn的杂化化合物。在Na8al8GE38中，由于共价键半径的差异（AL：126 PM，GA：124 PM，GE：121 PM），杂交程度增加，与Na8GA8GE38相比，有效质量略有降低。预计这将提高载流子的迁移率，但由于载体的合金散射略有增加，但这并没有发生。此外，用于声子电导率的合金散射增加，导致晶格的导热率较低。结果，Na8al8Ge38比Na8ga8Ge38表现出更高的绩效ZT的无量纲图。在NA8ZN4GE42中，由于共价键半径差异（Zn：118 pm，GA：124 pm），杂交程度降低了，与Na8ga8Ge38相比，有效质量增加。结果，载流子的移动性降低。