p型でも熱電性能が高いマグネシウムスズ化合物の単結晶を作製 東北大学

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排熱から発電できる熱電材料として期待されている、マグネシウムスズ化合物の実用化に向けた研究を進めている東北大学大学院工学研究科などの研究グループは2023年1月12日、これまで熱電性能が低いとされてきたp型でも、多結晶より熱電性能が高いマグネシウムスズ化合物の単結晶作製に成功したと発表した。

熱電材料は排熱から発電が可能で、低炭素社会を実現するための有望な材料として近年、注目を集めている。なかでもマグネシウムスズ化合物は、自動車や工場から排出される500K~700Kの中高温排熱から発電できる熱電材料として期待されている。

東北大学はこれまでに清華大学(中国)との共同研究で、多結晶より熱電性能が高い、電気を電子が運ぶn型のマグネシウムスズ化合物の単結晶作製に成功している。しかし、電子が抜けた穴(ホール)が電気を運ぶp型のマグネシウムスズ化合物では、熱電性能が低いことが課題となっていた。

n型単結晶の作製では、マグネシウムスズ化合物のスズをアンチモンで部分置換して電子を導入した単結晶に、マグネシウムの空孔欠陥を導入した。そこで研究グループは、ホールを導入できる元素で部分置換したマグネシウムスズ化合物単結晶にも空孔欠陥を導入できれば、多結晶よりも熱電性能を高くできると考えた。

マグネシウムスズ化合物単結晶にホールを導入するため、マグネシウムをリチウムで部分置換したマグネシウムスズ化合物単結晶を作製。この単結晶の構造や電気伝導率、熱伝導率などを調べた結果、p型化が可能で多結晶よりも熱電性能が高いことを確認した。

しかし、今回開発したp型の熱電性能はn型の2分の1で、研究グループは「p型だけでなく、n型の熱電性能をさらに高くするため、電子やホールの量を最適化する方法を確立することが今後の課題だ」としている。

研究成果は2023年1月12日、英国王立化学会発行の科学誌Journal of Materials Chemistry Aに掲載された。

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