電子構造とフォノン分散制御によるＡｌ基環境調和型熱電材料の創製

利用电子结构和声子色散控制创建铝基环保热电材料

基本信息

批准号：
13J08751
负责人：
山本晃生
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Toyota Technological Institute (2014)Nagoya University (2013)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

廃熱を電力へ再生できる大規模熱電発電技術を実現することで，近年のエネルギー枯渇問題を緩和に貢献するために，環境調和な元素から構成された高性能熱電材料を開発することが急務である．本研究では，基礎研究で用いられる計算科学の手法(バンド計算とクラスター計算)を利用して，微視的観点(電気構造と電子散乱確率，フォノン分散及びフォノン散乱確率）から熱電物性を厳密に取り扱うことで,実際に高性能な環境調和型材料を開発することを目的としている．これまでに,バンド計算を駆使することで,熱電材料として優れた電子物性を呈する環境に優しいAl-Mn-Si C54相とAl-Mn-Si C40相の開発した．しかし，格子熱伝導度が大きいために，既存材料の1/10以下の値しか示さなない．一般的に，格子熱伝導度を低減させると，電気抵抗率が増大してしまい，効果的にZTを増大できないと考えられているが，電子構造とフォノン分散を考慮した物性改質方法(選定した重元素で部分置換)を用いることによって，既存の熱電材料の性能の5割程度まで向上させることに成功すると共に，物性改質方法が有効性を証明したが，性能は未だ十分に大きくない.そこで，環境調和型高マンガンシリサイドMn-Si合金に対して，上記の知見を利用することで，良い電子物性を維持したまま，格子熱伝導度のみを60%低減させることが出来れば，実用材料と同等の性能を得られることに気付いた．試料を合成したところ，予測した通り，格子熱伝導度のみを60%以上低減させることによって，既存の実用材料と同等なZTを得ることに成功し,開発した環境調和型新規熱電材料の費用対効果(最大エネルギー効率/材料価格)を既存の実用材料Te-Ag-Ge-Sb合金と比較すると，3倍にも達することから，既存熱電材料の代替材料として非常に有望な新規熱電材料を開発するに至った．

为了通过实现将废热再生为电能的大规模热电发电技术，为缓解当前的能源枯竭问题做出贡献，迫切需要开发由环保元素组成的高性能热电材料。在这项研究中，我们利用基础研究中使用的计算科学方法（能带计算和簇计算）从微观角度严格研究热电性质（电结构和电子散射概率、声子色散和声子散射概率）。通过处理这些材料来开发高性能、环保的材料。到目前为止，通过充分利用能带计算，我们已经开发出环保的Al-Mn-Si C54和Al-Mn-Si C40相，它们作为热电材料具有优异的电子性能。但由于晶格导热系数较大，其值还不到现有材料的1/10。一般认为降低晶格热导率会增加电阻率，并不能有效提高ZT。通过使用（重元素部分替代），我们成功地将现有热电材料的性能提高了50%左右，同时也提高了现有热电材料的性能。热电材料。尽管性能改性方法已被证明是有效的，但性能仍然不够高，因此，利用上述知识，我们开发了一种环保的高硅化物Mn-Si合金，我们意识到如果它能保持良好的电子性能。我们只需将晶格热导率降低60%，就可以获得与实际材料相同的性能。当合成样品时，正如预测的那样，仅通过将晶格热导率降低60%以上，我们就成功获得了与现有实用材料相当的ZT，这提高了新开发的环保热电材料的成本效率。我们开发了一种新型热电材料，作为现有热电材料的替代品极具前景，因为其有效性（最大能源效率/材料价格）比现有实用材料Te-Ag-Ge-Sb合金高出三倍。我最终做到了。