北海道大学は2023年10月20日、名古屋大学および釜山大学と共同で、高温・空気中でも安定な高性能熱電材料「Ba1/3CoO2」の単結晶化に成功したと発表した。
熱電材料は、工場や自動車から排出される高温の排熱を再資源化する材料として注目されている。同材料のうち酸化物熱電材料は、PbTeなどの金属カルコゲン化物熱電材料と比較して、熱および化学的に安定しており、しかも毒性が低い。この特性から、高温・空気中でも使用できる熱電材料として期待されている。
Ba1/3CoO2などの熱電材料を基板付きの薄膜の状態で使用すると、基板にも熱が伝わり性能が低下する。また、セラミックスの形態では著しく熱電性能が低くなるため、実用化のためには単結晶であることが必要だ。
今回の研究では、サファイア基板上にBa1/3CoO2単結晶膜を生成する際に、膜と基板の界面に自然発生する水溶性のBa-Al-O層に着目した。水温40℃の温水に浸すことでBa-Al-O層が溶解し、Ba1/3CoO2単結晶膜がサファイア基板から剥離。自立膜として取り出すことに成功した。
この単結晶膜を電子顕微鏡で観察すると、厚さは約600nmで特に目立った欠陥はなく、層状構造由来の原子配列も確認できた。さらに熱電特性を計測したところ、剥離前と同等の高い熱電性能を維持していることが分かった。
今回の研究により、Ba1/3CoO2の熱電変換材料としての実用化に前進した。今後は同材料の単結晶の大型化など、その応用を視野に入れた研究や、単結晶による熱電特性の高性能化に資する基礎研究に取り組む。
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新着情報: 実用的な熱電材料の単結晶化に成功～毒性元素を使わない熱電変換の実現に向けて大きく前進～（電子科学研究所 教授 太田裕道）
