セレン化スズに外部圧力を加えると熱電性能が2倍以上に増大――圧力による電子バレーの制御により熱電性能の向上に成功 阪大ら

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(左)熱電材料セレン化スズの結晶構造の模式図。(右)熱電性能(電力因子)の外部圧力依存性

大阪大学は2019年6月7日、東京大学との共同研究において、高性能熱電材料であるセレン化スズに外部圧力を加えることで、室温を含む幅広い温度範囲で、熱電性能が2倍以上に増大することを発見したと発表した。

熱電変換技術は、廃熱を直接電気に変換するクリーンな発電法として、幅広い応用が期待されている。セレン化スズは650℃付近で世界最高の熱電性能が報告された熱電材料だ。物質中の電子は、ある特定の運動量を持つ状態のエネルギーが低くなり、電子バレー(谷)を形成している。これまで、優れた熱電性能を達成するためには、物質中の電子状態、特に特定の運動量を持つ電子が安定化することで形成されるバレー状態を最適化することが、最も有効であるとされてきた。実際、セレン化スズでも、高温領域で熱電変換に寄与する電子バレーの個数が増加することが理論的に予想されていた。しかし、電子バレーの状態を観測する手段は限られており、その変化が実際に熱電性能に及ぼす影響については、これまで実証されたことはなかった。

今回、酒井准教授らの研究グループは、セレン化スズに外部圧力を印加した状態で熱電効果と同時に磁気抵抗効果を高精度で測定する手法を開発した。この結果、電子バレーが圧力により新たに形成されることで、熱電性能が向上することを実験的に解明することに成功した。これにより、複数のバレーが存在するマルチバレー状態が、高い電気伝導と熱起電力を両立させ、電力因子の向上につながったことを明らかにした。

またバレー状態の変化は、1960年代に物理学者リフシッツが理論的に提唱したトポロジカル転移(リフシッツ転移)であり、通常の相転移に分類されないため、基礎物理の観点からも注目を集めている。今回の研究は、リフシッツ転移と熱電性能の密接な関連を実証しており、基礎と応用を結ぶ成果といえる。

さらに、理論計算によりバレー状態の圧力変化を再現することにも成功し、熱電性能に有利なマルチバレー状態を実現できる結晶構造の特徴を明らかにした。同研究成果により、セレン化スズ系材料における電子バレーの重要性とその制御法が明らかとなった。今後、得られた設計指針に基づき、より優れた熱電材料の新規開拓や熱電発電の技術革新が期待される。

圧力下での熱起電力と抵抗率の同時測定方法

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