デバイス化が容易なハーフメタルの熱電性能を4倍向上させる方法を確立東北大学と中国清華大学

東北大学は2024年1月4日、同大学大学院工学研究科と中国の清華大学との共同研究グループが、p型ハーフメタルであるマンガン・バナジウム・アルミニウム合金（Mn₂VAl）に生じるアンチサイト欠陥の量を精密に制御するとともに、ケイ素（Si）でアルミニウム（Al）を部分置換することでp型の熱電性能を約4倍向上させることに成功したと発表した。エネルギーハーベスティング技術への応用が期待される。研究成果は、2023年12月12日、材料科学の専門誌Journal of Materiomicsに掲載された。

研究グループでは、ボールミル（粉砕機）で原料のマンガン（Mn）、バナジウム（V）、Alを微粉末にして放電プラズマ焼結でMn₂VAlを合成し、緻密な円盤状試料を作製。その試料を高温で加熱した。

この際、各工程でボールミルの回転時間や放電プラズマ焼結の保持時間、高温加熱時間を変えたところ、各工程の時間が長いほど、アンチサイト欠陥量が増加することを確認。時間を調整することでアンチサイト欠陥量を13％から50%の範囲で制御することに成功した。

さらにMn₂VAlのアンチサイト欠陥量が33%になる作製条件で、AlをSiで部分置換したMn₂V(Al_1-xSi_x)を作製。熱電性能を調べたところ、アンチサイト欠陥量とSi置換量の最適化によって性能が約4倍向上することがわかった。この値は、p型ハーフメタルの中では最も高い。

Mn₂VAlのような熱電材料は、排熱を電気に直接変換できる、環境にやさしいクリーンなエネルギーハーベスティング材料として注目されている。これまで熱電材料として高性能の半導体が開発されてきたが、デバイス化の際に金属電極との接合を工夫する必要があった。このため研究グループは、熱電材料として金属を用いれば、金属電極との接合が容易になるとして、金属のような電気的性質を示すハーフメタルに注目。既に半導体に匹敵する熱電性能を持つn型ハーフメタル（Co₂MnSi）を開発している。しかし、n型と組み合わせて使うp型の熱電性能がn型に比べて極めて低いことが課題だった。

今回、開発したp型ハーフメタルの熱電性能はｎ型の6分の1に迫り、熱電材料として有望といえる。研究グループは、p型のさらなる性能向上を図れば、ハーフメタルを使ったエネルギーハーベスティングの実用化が期待できるとしている。

デバイス化が容易なハーフメタルの熱電性能を4倍向上させる方法を確立　東北大学と中国清華大学