東北大,単結晶の欠陥制御で最低熱伝導率達成

東北大学の研究グループは,アルゴン圧力下でマグネシウム錫化合物の単結晶を作製すると,マグネシウム空孔欠陥を導入することができ,多結晶よりも熱伝導率が低くなることを明らかにした。さらに,空孔欠陥が存在するマグネシウム錫化合物単結晶にアンチモン部分置換を施して,電子を導入することで高い熱電変換性能を得ることに成功した(ニュースリリース)。

熱エネルギーを利用して発電できる熱電変換材料は,省エネルギー社会と低炭素社会を実現する鍵となる材料として期待されている。中でも,マグネシウム錫化合物は中高温(400K~800K)の熱エネルギーを利用できるため,有望な熱電変換材料とされている。マグネシウム錫化合物の実用化に向けて,ゼーベック係数と電気伝導率を高く,熱伝導率を低くして,熱電変換性能を向上する研究が進められている。

これまでの研究で,マグネシウム錫化合物の単結晶に,マグネシウムの空孔欠陥を導入して多結晶より熱伝導率を低くし,電気伝導キャリアを導入して熱電変換性能を向上させたが,電気伝導キャリアを導入すると,空孔欠陥量が減少することが課題として残っていた。

研究グループは今回,ホウ素部分置換でマグネシウム空孔欠陥の量が増加するのではないかと考えた。マグネシウム錫化合物単結晶をホウ素で部分置換したところ,中性子ホログラフィーによりホウ素周辺にマグネシウムの空孔欠陥が存在していることがわかり,空孔欠陥量を増加することに成功した。これはホウ素部分置換によって化学的圧力が高くなったためだという。

この空孔欠陥と転位により,マグネシウム錫化合物単結晶において,理論的に予想されている最低熱伝導率を達成し,高い熱電変換効率をもつ単結晶熱電変換材料の開発指針を確立した。

この研究により,化学的圧力を制御することで,さらにマグネシウム錫化合物単結晶の熱電変換性能を向上させることができる可能性が示されたとする。研究グループは,マグネシウム錫化合物単結晶を用いた熱電変換デバイスを実用化できれば,省エネルギー社会と低炭素社会を実現できるとしている。

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