熱電性能を単一試料で直接評価~常識を覆す新測定パラダイム~

2026-02-18 埼玉大学

埼玉大学大学院理工学研究科の研究グループは、熱電材料の無次元性能指数zTを単一試料・単一測定系で直接評価できる新手法「時間領域インピーダンス分光法(TDIS)」を確立した。従来はゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導率を別々に測定し算出していたが、本手法では熱と電気の時間応答を同時取得し、材料応答として一貫評価が可能。粉末焼結Bi₂Te₃系材料で空間分布も可視化した。材料開発の迅速化と信頼性向上に資する成果で、『Applied Physics Letters』に掲載、注目論文に選出。

熱電性能を単一試料で直接評価~常識を覆す新測定パラダイム~
図 従来の熱電性能評価手法と、本研究で確立した時間領域インピーダンス分光法(TDIS:Time-Domain Impedance Spectroscopy)(注4)による評価手法の概念比較。従来法では、ゼーベック係数・電気抵抗率・熱伝導率を別々の測定系、場合によっては異なる試料で測定し、無次元性能指数 zT を計算によって求めていた。一方TDISでは、単一試料・単一測定系において熱と電気の応答を同時に捉えることで無次元性能指数 zT を材料の応答として直接評価できる。

<関連情報>

時間領域インピーダンス分光法による 粉末焼結Bi 2 Te 3系バルク熱電材料 の無次元性能指数の空間分布の観察
Observation of spatial distribution of dimensionless figure of merit in powder-sintered Bi2Te3-based bulk thermoelectric materials via time-domain impedance spectroscopy

Hitoyuki Sato;Yasuhiro Hasegawa
Applied Physics Letters  Published:February 17 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0313465

The time-domain impedance spectroscopy (TDIS) method enables direct determination of the dimensionless figure of merit (zT) from a single thermoelectric specimen, eliminating uncertainties associated with sample-to-sample variations inherent in conventional measurements. This work demonstrates direct, spatially resolved zT measurements within a powder-sintered bulk ruthenium-doped Bi2Te3 specimen, allowing quantitative mapping of its spatial distribution. Three 3 × 3 × 5 mm3 specimens, equipped with thin-film Ti/Cu electrodes, were randomly selected from the same bulk. Impedance and transient-resistance responses were measured at 300 K under high-vacuum and temperature-stabilized conditions. The TDIS method achieved a zT uncertainty below 1.5% and quantitatively resolved spatial variations ranging from 0.413 ± 0.005 to 0.475 ± 0.007 over a distance of 5 mm, providing experimental evidence that intrinsic transport-defined zT inhomogeneity is manifested as spatial zT variations in powder-sintered bulk materials. Distinct local variations in thermoelectric properties (zT and resistivity) were detected even within nominally homogeneous powder-sintered bulk materials. Electrode geometry also affected the observed distribution, with point electrodes exhibiting larger fluctuations (approximately 7%) than strip electrodes (<3%). These results demonstrate the presence of measurable spatial zT variation within a single specimen and highlight the importance of accounting for material inhomogeneity when evaluating thermoelectric performance.

0403電子応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました