名工大ら,X線で熱電変換性能に関係する歪を観測

名古屋工業大学と名古屋大学らは,放射光による精密な構造解析とスーパーコンピューターによる大規模な結晶構造のシミュレーションの組合せにより,熱電変換材料中に存在するわずかな欠陥原子周辺の歪の観測に成功した(ニュースリリース)。

工場や自動車から排出される熱を電気に直接変換させることができる熱電変換発電は,電気を発電する際に二酸化炭素を排出しないことから,脱炭素社会の移行および持続可能な社会を実現するためのカギとなるクリーンな発電技術として注目を集めている。

製鉄所やごみ焼却所から排出される高温排熱用の熱電変換材料の候補であるハーフホイスラー化合物の高い熱電変換性能のしくみは,結晶構造中の隙間に原子が侵入するという欠陥原子が関係していると予言されており,これまでに欠陥原子の存在は確認されてきた。しかし,その欠陥原子周辺の結晶構造は分かっていなかったため,実際に高い熱電変換性能に原子欠陥がどのように寄与しているかは明らかにされていなかった。

研究グループは,あいちシンクロトロン光センターの放射光X線を利用したX線吸収微細構造(XAFS)と自然科学研究機構・計算科学研究センターのスーパーコンピューターによる大規模な結晶構造のシミュレーションを組み合わせることにより,高い熱電変換性能を持つハーフホイスラー化合物NiZrSn合金中に存在する歪の観測に世界で初めて成功し,高い熱電変換性能のしくみを説明することができた。

具体的には,シミュレーションにより予測された欠陥原子周辺の歪を考慮したハーフホイスラー化合物NiZrSn合金は,理論的なXAFS測定の結果とほぼ一致しており,この合金では欠陥原子周辺の結晶構造に歪が生じていることが分かった。

ハーフホイスラー化合物において欠陥原子周辺の歪を実験的に直接観測したのは世界初であり,この歪の存在が高い熱電変換性能つまり「材料中に温度差を加えた際に大きな電圧を生み出すが熱は伝えにくくする」,というしくみに関与していることが明らかになったという。

これは,”欠陥原子周辺の歪の制御”という新しい熱電変換材料の開発につながる成果であり,今後,工場や自動車からの排熱を効率よく電気に変換可能な熱電変換材料の開発が期待できるもの。研究で開発された結晶構造中のわずかな歪の観察技術は,他の材料にも適用可能な方法なので,将来,次世代スピントロニクス材料などに適用することにより,新たな機能性材料開発へと進展することが期待されるとしている。

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