2次元物質で高効率の熱電変換を実現

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セレン化鉄の極薄膜化により室温で熱電性能が増大

2019-03-05  理化学研究所,東京大学大学院工学系研究科,東北大学金属材料研究所

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター創発デバイス研究チームの清水直研究員(研究当時)、岩佐義宏チームリーダー(東京大学大学院工学系研究科教授)、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、鉄系高温超伝導体[1]のセレン化鉄(FeSe)を極薄膜化することで、熱電効果(ゼーべック効果)[2]が飛躍的に上昇することを発見しました。

本研究成果は、高度に制御されたナノ物質が、熱電変換材料として高い可能性を持つことを明確に示すものです。

物質の両端に温度差をつけると、その温度差に比例する電圧が発生する現象を熱電効果といいます。熱電効果を利用することで、排熱から電気エネルギーを取り出す熱電発電が可能となります。ナノスケールの世界では、物質の機能性の役割を担う電子の振る舞いが通常の物質での振る舞いとは著しく異なることから、熱電効果が増大すると期待されています。

今回、共同研究グループは、電気化学的手法によってFeSeの極薄膜を作製し、その熱電効果の膜厚依存性を測定しました。その結果、熱電性能を示すゼーペック係数が膜厚の減少とともに急増し、1ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)に迫る単層レベル(2次元物質)では厚膜時の数百倍に、また取り出せる電力値の指標となる熱電出力因子は約10万倍に増大することが分かりました。さらに、室温における出力因子はこれまで知られているどの熱電物質よりも大きく、低温になるにつれてさらに上昇することも分かりました。

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