安定で実用的な酸化物熱電変換材料

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安定で実用的な酸化物熱電変換材料

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太田裕道教授 Hiromichi Ohta

博士（工学）

電子科学研究所　物質科学研究部門

北海道⼤学研究者総覧

層状コバルト酸化物のナトリウムイオンを原子量が重いバリウムイオンに置き換えた結果、電気的な特性は変化せず、熱伝導率だけが減少した。室温で熱電変換性能指数ZTが0.11に達することを発見した。

研究の内容

熱電変換は、廃熱を再資源化する技術として注目されています。熱電材料として、金属カルコゲン化物が知られていますが、熱的・化学的安定性や、毒性の問題があります。層状コバルト酸化物は高温・空気中においても安定ですが、熱伝導率が高く、変換性能が低いという問題がありました。研究グループは，層状コバルト酸化物A_xCoO2の熱伝導率を下げるために，図1に示す戦略を考えました。図2に，室温において計測したA_x置換A_xCoO2薄膜の層に平行な方向の熱電特性をまとめて示します。熱伝導率はA_x原子量の増加に伴って単調に減少する傾向を示しました。Ba1/3CoO₂の室温の熱電変換性能指数は0.11です。性能指数ZTは高温になるほど上昇します。さらに熱電変換性能を増強することで、安定で実用的な熱電変換材料が実現すると期待されます。

見出し：層状コバルト酸化物の結晶構造（左）と熱電変換性能指数ZT（室温）のAイオン依存性（右）
図1　（左）層状コバルト酸化物AxCoO2の結晶構造。（右）AxCoO2の層に沿った方向の熱伝導の模式図。「ばね」がたくさん入っているマットレスの上に赤ちゃんを乗せてもマットレスの「ばね」は影響を受けないのに対し，例えば大きな力士が乗れば「ばね」は縮んで動かなくなります。
図2　Axを置換したAxCoO2薄膜の層に平行な方向の熱電特性（室温）。 [(熱電能)2×(導電率)]で表される出力因子はAxに依らずほぼ一定なのに対し，熱伝導率はAx原子量の増加に伴って単調に減少する傾向を示しました。Baはアルカリ金属とアルカリ土類金属の中から選ぶことができる最も重い元素です。この低熱伝導率化だけが熱電変換性能指数の変化にそのままに反映され，Ba置換したBa1/3CoO2では酸化物の室温の熱電変換性能指数としては最大の0.11に達することがわかりました。