2024-10-23 物質・材料研究機構
ナノアーキテクトニクス材料研究センター
NIMS（国立研究開発法人物質・材料研究機構）
NIMSは、資源豊富で安価なMg3Sb2系の熱電材料において、Inドーピングと焼結時間の制御により、電子伝導を大幅に向上させると同時に熱輸送を効果的に遮蔽し、性能を大幅に高性能化することに成功しました。
概要
- NIMSは、資源豊富で安価なMg3Sb2系の熱電材料において、Inドーピングと焼結時間の制御により、電子伝導を大幅に向上させると同時に熱輸送を効果的に遮蔽し、性能を大幅に高性能化することに成功しました。723 K で約 2.0 の超高性能指数(zT)と、425 Kの温度差で単素子モジュールにより約 12.6% の最高変換効率を達成しました。この成果は、熱電材料デバイスの実用化に向けた重要な前進を意味します。
- 熱電材料は固体デバイスで廃熱を電気に直接変換できるため、カーボンニュートラルと持続可能な社会を実現するための技術として期待されています。しかし、不十分な熱電性能と、材料の希少性や高コストによって、熱電技術の広範な応用は妨げられてきました。高い熱電性能を追求するには、電気の伝導をできるだけ促進するともに熱の伝導をできるだけ阻害する必要があります。さまざまな戦略による数十年にわたる努力にもかかわらず、熱電性能指数zTの最大値が2.0に達する高性能熱電材料は、GeTe、PbTe、AgSbTe2、SnSeなど数個しか開発されてきませんでした。しかも、いずれも、毒性、高コスト、希少性、安定性の低さなどの多くの欠点により、これらの材料の商業的応用は非常に難しいと考えられています。
- 今回の研究では、In原子のドーピングおよび焼結時間の制御によって、Mg3Sb2系の合金中の原子レベルの構造無秩序を低減するとともに、フォノン散乱に相乗的に作用する微細構造を実現しました。構造的無秩序の減少により電子の局在状態から非局在状態への移行が起き、電子輸送が促進されました。一方で、構築された欠陥微細構造により複数のひずみ変動が促進され、フォノン輸送は抑制されています。これらの効果によって、大幅に改善された熱電性能は、上図のように室温で約0.5、723Kで約2.0のzTを示しました。これは、Mg3Sb2系の合金で報告されている最高値です。その結果、300~723Kの温度範囲で約1.36という最高の平均zTが達成されました。また、上図のとおり、本材料の単素子モジュールは約12.6%という前人未踏の高い熱電変換効率を達成しました。
- 今回の成果は、希少元素をほとんど用いない熱電モジュールの実用化および普及に道を拓くものです。Society 5.0を実現するために必要な多数のセンサー用自立電源向けだけでなく、大きな省エネ効果に資する熱電モジュールの実用化につながることが期待されます。さらに、構造的無秩序の減少を介して電荷が局在から非局在状態に移行する現象を活用することによって最高熱電性能を達成したことは、熱電材料の複雑な欠陥構造の制御に関するさらなる研究を刺激するでしょう。
- 本研究は、NIMSナノアーキテクトニクス材料研究センター 熱エネルギー変換材料グループ(森 孝雄 グループリーダー)によって、国立研究開発法人科学技術振興機構未来社会創造事業 大規模プロジェクト「磁性を活用した革新的熱電材料・デバイスの開発」(研究開発代表者:森 孝雄)の支援を受け実施されました。
- 本研究成果は、2024年8月9日にNature Communications誌のオンライン版に掲載されました。
掲載論文
題目 : High-performance Mg3Sb2-based thermoelectrics with reduced structural disorder and microstructure evolution
著者 : Longquan Wang, Wenhao Zhang, Songyi Back, Naoyuki Kawamoto, Duy Hieu Nguyen, and Takao Mori
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 2024年8月9日
DOI : 10.1038/s41467-024-51120-3
