原子層物質の機能を活用した熱電変換材料を開発ー超伝導体研究から生まれた新しい材料設計ー

2026-06-30 東京科学大学

東京科学大学の研究グループは、鉄系超伝導体の研究から着想を得て、未利用熱を電力へ変換する高性能熱電材料として層状結晶 TlFe₁.₆Se₂ を開発した。材料はFeSe原子層とTl層が交互に積層し、FeSe層内に規則的な鉄空孔(Fe空孔)を持つ構造を有する。FeSe原子層が高い熱電出力(出力因子)を担い、Fe空孔が熱を運ぶフォノンの伝播を妨げることで極めて低い熱伝導率を実現した。実験では、通常のFeSe結晶より大幅に高い熱電出力を示し、熱伝導率は約0.2 W/mKまで低下して、実用熱電材料であるBi₂Te₃やSnSeなどと同等あるいはそれ以下の水準となった。第一原理計算からは、Fe空孔による原子配列の乱れと結合強度の不均一性が熱伝導率低下の要因であることも明らかになった。本研究は、原子層物質の優れた機能をバルク結晶へ取り込む新たな材料設計指針を示すものであり、工場や自動車、発電所などの排熱利用による高効率熱電発電技術やカーボンニュートラル実現への貢献が期待される。

原子層物質の機能を活用した熱電変換材料を開発ー超伝導体研究から生まれた新しい材料設計ー
図1. 本研究で提案した熱電材料設計の概念図。FeSe原子層による高い熱電出力(左)とFe空孔による低い熱伝導率(右)の両方を同時に実現する。

<関連情報>

FeSe原子層を内包したTlFe1.6Se2における出力因子の向上と熱伝導率の抑制 Simultaneous enhancement of power factor and suppression of thermal conductivity in bulk TlFe1.6Se2via embedded atomically thin FeSe layers

Xinyi He,Katsuma Ogata,Terumasa Tadano,  c Hidenori Hiramatsu,Toshio Kamiya and Takayoshi Katase
Journal of Materials Chemistry A  Published:30 Apr 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D6TA02075E

Abstract

FeSe in the monolayer limit exhibits extremely large thermoelectric power factors (PFs). Extending the high-PF concept from two-dimensional FeSe to bulk materials, together with the suppression of lattice thermal conductivity, enables higher-performance thermoelectrics. Here, layered TlFe1.6Se2 is identified as a model system consisting of atomically thin two-dimensional FeSe layers separated by Tl atoms; i.e., FeSe monolayers are naturally confined within a bulk crystal. This compound uniquely exhibits a transition from Fe-vacancy (VFe)-ordered to-disordered states at around 200 °C. Although the VFe-disordered phase exhibits high electrical conductivity, carrier compensation suppresses the Seebeck coefficient and limits PF. In contrast, the VFe-ordered phase shows an enhanced Seebeck coefficient associated with Mott gap formation, resulting in improved PF which is much higher than that of bulk FeSe. The lattice thermal conductivity of the VFe-ordered phase is lower than that of representative thermoelectric chalcogenides and that of the VFe-disordered phase further decreases to ∼0.2 W (m−1 K−1) at 500 °C due to the VFe-induced bond heterogeneity. Consequently, the dimensionless figure of merit (ZT) of TlFe1.6Se2 reaches ∼0.2 at 50 °C in the VFe-ordered phase, which is two orders of magnitude higher than that of bulk FeSe. These results demonstrate that confining FeSe monolayers within a bulk crystal, alongside vacancy order–disorder control, is an effective design strategy for next-generation thermoelectrics.

0703金属材料
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