JP2000261049A - P-type thermoelectric converting material and manufacture of the same - Google Patents

P-type thermoelectric converting material and manufacture of the same

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JP2000261049A
JP2000261049A JP11058849A JP5884999A JP2000261049A JP 2000261049 A JP2000261049 A JP 2000261049A JP 11058849 A JP11058849 A JP 11058849A JP 5884999 A JP5884999 A JP 5884999A JP 2000261049 A JP2000261049 A JP 2000261049A
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JP
Japan
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thermoelectric conversion
conversion material
mol
chemical composition
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JP11058849A
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Japanese (ja)
Inventor
Makiko Shinno
真紀子 新野
Saneto Miyoshi
実人 三好
Kenji Furuya
健司 古谷
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Masakazu Kobayashi
正和 小林
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NGK Insulators Ltd
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for easily and efficiently manufacture P-type thermoelectric converting materials in which CoSb3 is used as main components, a small amount of Fe is included as dopant for deciding a conductive type, and a stable P-type is indicated, and high performance can be obtained, electrical conductivity can be increased, chemical stability can be realized, and fluctuation due to the fluctuation of composition can be reduced by using a general baking process. SOLUTION: The chemical composition of the main components of P-type thermoelectric converting materials is represented by CoFexSby (0.001<x<0.6, 2.7<y<5.7), and the oxygen contents are set to 0.08 mol or less with respect to CoFexSby of 1 mol. Material powder, in which the chemical composition of main components is expressed by CoFexSby (0.001<x<0.6, 2.7<y<5.7) is baked in a reducing atmosphere such as hydrogen or material powder, in which the chemical composition of the main components is expressed by Co1-xFexSby (0.001<x<0.4, 2.7<y<3.4), and oxygen contents are 0.08 mol or less with respect to 1 mol is backed in a nonoxidizing atmosphere such as nitrogen.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換モジュー
ルのP型半導体として使用される熱電変換材料およびそ
の製造方法、特に化学組成CoSb3 で表される主成分と、
導電型をP型に制御するための少量のFeとを含むP型の
熱電変換材料およびその製造方法に関するものである。
[0001] The present invention relates to a thermoelectric conversion material used as a P-type semiconductor of a thermoelectric conversion module and a method for producing the same, in particular, a main component represented by a chemical composition CoSb 3 ;
The present invention relates to a P-type thermoelectric conversion material containing a small amount of Fe for controlling the conductivity type to P-type and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、高性能の熱電変換材料としては、
Bi2Te3, Bi2Sb8Te15, BiTe2Se などのテルル系化合物が
知られている。また、TSb3(T:Co, Ir, Ru)などのアンチ
モン系化合物の内、例えばCoSb3 も熱電変換材料として
知られている。このCoSb3 熱電変換材料は、約600 ℃ま
での温度範囲において使用可能な熱電変換材料として知
られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as high performance thermoelectric conversion materials,
Tellurium compounds such as Bi 2 Te 3 , Bi 2 Sb 8 Te 15 and BiTe 2 Se are known. Among antimony compounds such as TSb 3 (T: Co, Ir, Ru), for example, CoSb 3 is also known as a thermoelectric conversion material. This CoSb 3 thermoelectric conversion material is known as a thermoelectric conversion material usable in a temperature range up to about 600 ° C.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】Bi-Te 系に代表される
テルル系化合物より成る熱電変換材料は、室温では比較
的高い性能指数Z(Z=3×10-3[1/K])を有しているが、30
0 ℃以上の高温では、特性が劣化するという問題点があ
った。ここで、性能指数Zは、αをゼーベック係数、σ
を電気伝導率、κを熱伝導率とするとき、Z=α2 σ/
κで表されるものである。また、テルル系化合物より成
る熱電変換材料は、融点が低く化学的安定性に欠けると
もに組成変動による特性のばらつきが生じ易いなどの問
題点もあった。
A thermoelectric conversion material composed of a tellurium compound represented by a Bi-Te compound has a relatively high figure of merit Z (Z = 3 × 10 −3 [1 / K]) at room temperature. Have, but 30
At a high temperature of 0 ° C. or higher, there is a problem that characteristics are deteriorated. Here, the figure of merit Z is such that α is a Seebeck coefficient, σ
Is electrical conductivity and κ is thermal conductivity, Z = α 2 σ /
It is represented by κ. Further, the thermoelectric conversion material made of a tellurium-based compound has a problem that it has a low melting point, lacks chemical stability, and tends to cause variations in characteristics due to composition fluctuation.

【0004】また、TSb3(T:Co, Ir, Ru)などのSb系化合
物より成る熱電変換材料の内、特にCoSb3 は使用可能な
温度範囲がBi-Te 系化合物に比較して大幅に広いという
利点があるが、P型導電型材料を得るのに以下の問題が
ある。すなわち、ドーピングを行わない化学量論組成の
CoSb3の場合、本来導電型はP型となるが、積極的なド
ーピングを行わない場合には、原料純度の影響を受け易
くなり、安定な熱電特性が得られない。またさらには、
導電型の制御性までなくなってしまう場合もあり得る。
Further, TSb 3 (T: Co, Ir, Ru) of the thermoelectric conversion material composed of Sb-based compounds, such as, in particular CoSb 3 is much usable temperature range is compared to the Bi-Te-based compound Although it has the advantage of being wide, there are the following problems in obtaining a P-type conductivity type material. That is, a stoichiometric composition without doping
In the case of CoSb 3 , the conductivity type is originally P-type, but if active doping is not performed, it is easily affected by the purity of the raw material, and stable thermoelectric characteristics cannot be obtained. Or even more
In some cases, the controllability of the conductivity type may be lost.

【0005】また、原料不純物の問題の他、実際の材料
作製工程では組成変動が不可避的に起こり、特に化学量
論組成からSbが欠損した組成が生じる場合においては、
導電型が反転し、N型となってしまう。
[0005] In addition to the problem of raw material impurities, in the actual material manufacturing process, compositional fluctuations inevitably occur. Particularly, when a composition in which Sb is lost from the stoichiometric composition occurs,
The conductivity type is reversed and becomes N-type.

【0006】以上の理由から、高性能で安定な熱電特性
を有するP導電型のCoSb3 を得るには、積極的なドーピ
ングを行って原料不純物の影響をなくすことにより、P
導電型を制御することが必要であり、それとともに材料
作製工程における組成変動の影響をなくすことが必要と
なる。
For the above reasons, in order to obtain P-conductivity type CoSb 3 having high performance and stable thermoelectric characteristics, active doping is performed to eliminate the influence of the source impurities.
It is necessary to control the conductivity type, and at the same time, it is necessary to eliminate the influence of composition fluctuation in the material manufacturing process.

【0007】本発明の目的は、CoSb3 を主成分とする熱
電変換材料の上述した問題点を少なくとも軽減し、広い
温度範囲に亘って高い性能を有し、電気伝導度も高く、
化学的にも安定で組成変動によるばらつきの小さいP型
の熱電変換材料を提供しようとするものである。
An object of the present invention is to at least reduce the above-mentioned problems of a thermoelectric conversion material containing CoSb 3 as a main component, to have high performance over a wide temperature range and to have high electric conductivity.
An object of the present invention is to provide a P-type thermoelectric conversion material which is chemically stable and has small variation due to composition fluctuation.

【0008】本発明は、さらに、このように優れた特性
を有するP型熱電変換材料を、汎用的な焼成プロセスを
用いて容易かつ効率良く製造することができる方法を提
供しようとするものである。
Another object of the present invention is to provide a method capable of easily and efficiently producing a P-type thermoelectric conversion material having such excellent characteristics by using a general-purpose sintering process. .

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、熱電変換モジ
ュールのP型半導体として使用される熱電変換材料にお
いて、主成分の化学組成が、CoFex Sb y (0.001 <x <
0.6, 2.7<y <5.7)で表され、その含有酸素量zが、Co
Fex Sby 1モルに対して0.08モル以下であることを特徴
とするものである。
Means for Solving the Problems The present invention provides a thermoelectric conversion material that is used as P-type semiconductor thermoelectric conversion module, the chemical composition of the main component, CoFe x Sb y (0.001 < x <
0.6, 2.7 <y <5.7), and the oxygen content z
Is characterized in that with respect to Fe x Sb y 1 mol 0.08 mol or less.

【0010】このような本発明によるP型熱電変換材料
においては、前記P型半導体を、焼結体を以て構成する
のがで特に好適である。このようなP型半導体は、汎用
的な焼成プロセスで容易かつ効率良く作製することがで
きる。
In the P-type thermoelectric conversion material according to the present invention, it is particularly preferable that the P-type semiconductor is constituted by a sintered body. Such a P-type semiconductor can be easily and efficiently manufactured by a general-purpose baking process.

【0011】本発明によるP型熱電変換材料の製造方法
は、化学組成CoSb3 で表される主成分と、導電型をP型
に制御するための少量のFeとを含むP型の熱電変換材料
を焼成法によって製造するに当たり、主成分の化学組成
がCoFex Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7<y <5.7)で表さ
れる原料粉末を、還元性雰囲気中で焼成することを特徴
とするものである。
A method for producing a P-type thermoelectric conversion material according to the present invention comprises a P-type thermoelectric conversion material containing a main component represented by a chemical composition CoSb 3 and a small amount of Fe for controlling the conductivity type to P-type. in producing the firing method, and characterized in that the chemical composition of the main component is CoFe x Sb y raw material powder represented by (0.001 <x <0.6, 2.7 <y <5.7), firing in a reducing atmosphere Is what you do.

【0012】さらに本発明によるP型熱電変換材料の製
造方法は、化学組成CoSb3 で表される主成分と、導電型
をP型に制御するための少量のFeとを含むP型の熱電変
換材料を焼成法によって製造するに当たり、主成分の化
学組成がCoFex Sb y (0.001<x <0.6, 2.7<y <5.7)
で表され、CoFex Sby (0.001<x <0.6, 2.7<y <5.7)
1モルに対する含有酸素量が0.08モル以下の原料粉末
を、非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするもの
である。
Further, the method for producing a P-type thermoelectric conversion material according to the present invention provides a P-type thermoelectric conversion material containing a main component represented by the chemical composition CoSb 3 and a small amount of Fe for controlling the conductivity type to P-type. in producing the material by firing method, CoFe chemical composition of the main component x Sb y (0.001 <x < 0.6, 2.7 <y <5.7)
In expressed, CoFe x Sb y (0.001 < x <0.6, 2.7 <y <5.7)
It is characterized in that a raw material powder having an oxygen content of 0.08 mol or less per mol is fired in a non-oxidizing atmosphere.

【0013】ここで、非酸化性雰囲気とは、窒素やアル
ゴンのような不活性雰囲気のみならず、水素ガスのよう
な還元性雰囲気をも含むものである。
Here, the non-oxidizing atmosphere includes not only an inert atmosphere such as nitrogen or argon, but also a reducing atmosphere such as hydrogen gas.

【0014】上述した本発明によるP型熱電変換材料に
おいては、CoFex Sb y (0.001 <x<0.6, 2.7<y <5.
7)で表された主成分を持ち、含有酸素量を、CoFex Sby
1モルに対して0.08モル以下とするが、含有酸素量を、
CoFex Sby 1モルに対して0.08モル以下に制限する理由
は、酸素をこれ以上含有すると、ドーパントとして作用
するFeが選択的に酸化されてしまうので安定してP型と
ならないためである。
[0014] In the P-type thermoelectric conversion material according to the present invention described above, CoFe x Sb y (0.001 < x <0.6, 2.7 <y <5.
Has a main component represented by 7), the oxygen content, CoFe x Sb y
0.08 mol or less per 1 mol.
The reason for limiting below 0.08 mol per CoFe x Sb y 1 mole, to contain oxygen more is because Fe acts as a dopant is not a P-type stable so would be selectively oxidized.

【0015】また、CoFex Sb yで表される主成分の、Co
1モルに対するFeの含有量を、0.001 <x <0.6 とする
とともにSbの量を 2.7<y <5.7 としているが、その理
由はこのような範囲を外れた場合には、電気伝導率σま
たはゼーベック係数αが低くなり、熱電変換モジュール
のP型半導体材料として良好な特性を示さなくなるため
である。
Further, the main component represented by CoFe x Sb y, Co
The content of Fe per mole is set to 0.001 <x <0.6 and the content of Sb is set to 2.7 <y <5.7. The reason for this is that when the content is out of such a range, the electric conductivity σ or Seebeck This is because the coefficient α becomes low and the P-type semiconductor material of the thermoelectric conversion module does not exhibit good characteristics.

【0016】本発明によるP型熱電変換材料の製造方法
においては、上述したように酸素含有量を制限するため
に、焼成前の原料粉末の含有酸素量を低くして非酸化性
雰囲気中で焼成を行うか、焼成を還元性雰囲気中で行な
うことによって酸素を除くようにしたものである。この
ような方法によれば、ドーパントであるFeが酸化される
ことがなく、したがってドーピングの制御性が高くな
り、所望の特性を有するP型の熱電変換材料が得られる
ことを確かめた。
In the method for producing a P-type thermoelectric conversion material according to the present invention, as described above, in order to limit the oxygen content, the raw material powder before firing is reduced in oxygen content to be fired in a non-oxidizing atmosphere. Or baking in a reducing atmosphere to remove oxygen. According to such a method, it was confirmed that Fe as a dopant was not oxidized, so that the controllability of doping was improved, and a P-type thermoelectric conversion material having desired characteristics was obtained.

【0017】上述したCoSb3 にFeを添加して熱電変換材
料を作製する試みは、例えば「L.D.Dudkin and N.Kh.Ab
rikosov; Sov. Phys. Solid State, 1 (1959) 」の第12
6 〜133 頁に記載されている。しかしながら、この文献
には、熱電変換材料をP型とするためのFeの添加量や酸
素含有量を規定しておらず、組成によってP型−N型の
反転が生じてしまい、導電型の制御ができないものであ
った。
An attempt to produce a thermoelectric conversion material by adding Fe to CoSb 3 described above is described in, for example, “LDDudkin and N.Kh.
rikosov; Sov. Phys. Solid State, 1 (1959)
It is described on pages 6-133. However, this document does not specify the amount of Fe added or the oxygen content for making the thermoelectric conversion material P-type, and the P-type-N-type inversion occurs depending on the composition. Was not possible.

【0018】これに対し、本発明では、上述したように
Feの添加量を規定するとともに含有酸素量を規定するこ
とにより、安定してP型を呈する熱電変換材料を得るこ
とができ、しかもFeの含有量を上述した範囲内で制御す
ることによって電気伝導率を任意に調整できるものであ
る。
On the other hand, in the present invention, as described above,
By defining the Fe content and the oxygen content, a P-type thermoelectric conversion material can be obtained stably, and the electric conductivity can be controlled by controlling the Fe content within the above range. The rate can be adjusted arbitrarily.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下本発明によるP型熱電変換材
料の幾つかの実施例を比較例とともに示すが、これらの
実施例および比較例とも以下のプロセスによって作製し
た。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Some examples of the P-type thermoelectric conversion material according to the present invention are shown below together with comparative examples. Both of these examples and comparative examples were produced by the following processes.

【0020】粒状のCo, Sb, Feを出発原料として用い、
所定量を秤量した後、圧粉して非酸化性雰囲気中で20〜
96時間の熱処理を行った。これを乳鉢にて粗粉砕した
後、遊星回転ボールミルを用いて乾式粉砕を行い、平均
粒径が100 μm 以下となるまで微粉砕した。このように
して作製した合金粉末を、成形圧7Ton/cm2 で成形した
後、600 〜750 ℃の範囲で非酸化性雰囲気である窒素雰
囲気中または還元性雰囲気である水素中で3〜6時間の
熱処理を施し、焼結体を得た。
Using granular Co, Sb, Fe as a starting material,
After weighing a predetermined amount, compacting it in a non-oxidizing atmosphere
The heat treatment was performed for 96 hours. After coarsely pulverized in a mortar, dry pulverization was performed using a planetary rotary ball mill, and finely pulverized until the average particle diameter became 100 μm or less. After the alloy powder thus produced is compacted at a compaction pressure of 7 Ton / cm 2, it is placed in a non-oxidizing atmosphere of nitrogen or a reducing atmosphere of hydrogen at 600 to 750 ° C. for 3 to 6 hours. Was performed to obtain a sintered body.

【0021】ここで、焼成前の原料粉末としては、上述
したように単体元素からなる原料粉末を所定量秤量した
後に混合するものだけに限られるものではなく、例えば
単体の原料を溶融、粉砕したものや、あるいは元素含有
比が目的の比率となるように、溶融、粉砕した粉末と単
体元素粉末とを混合したものなどを用いることもでき
る。
Here, the raw material powder before firing is not limited to the raw material powder composed of a single element which is weighed in a predetermined amount and then mixed, as described above. It is also possible to use, for example, a mixture of a powder obtained by melting and pulverization and a powder of a single element so that the element content ratio becomes a target ratio.

【0022】表1は上述したプロセスにおいて原料粉末
組成比を、Coを1モルとして種々に変化させた場合に得
られた焼結体の組成比、焼成温度および雰囲気を示すも
のである。この表1には、本発明の条件から外れるもの
もあり、これは比較例として示した。すなわち、試料1
〜17までは本発明による実施例であり、試料18〜2
4は比較例である。
Table 1 shows the composition ratio, sintering temperature and atmosphere of the sintered body obtained when the composition ratio of the raw material powder in the above-mentioned process was variously changed with Co being 1 mol. In Table 1, some of the conditions deviate from the conditions of the present invention, which are shown as comparative examples. That is, sample 1
Samples 18 to 2 are examples according to the present invention.
4 is a comparative example.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】表1から分かるように、還元性雰囲気中で
は勿論のこと非酸化性の窒素雰囲気中においても、焼結
体における酸素含有量は、焼成前における原料粉末での
酸素含有量よりも僅かに低くなっている。これは、非酸
化性雰囲気中で焼成した場合には、粉末成分に新たな酸
素が混入することがないためと、成形体表面に吸着され
ている酸素が焼成中にある程度は除去されるためである
と考えられる。成形体の表面に吸着する酸素の量は、粉
末の粒度や表面積などに依存するが、焼成が非酸化性雰
囲気中で行われる限りにおいては、焼結体中の酸素含有
量が成形体中の酸素含有量を越えることはない。したが
って、本発明によるP型熱電変換材料の製造方法を実施
するに当たっては、目標とする化学組成と同等の化学組
成を有する粉末を用意し、これを成形した後、非酸化性
雰囲気中で焼成すれば良いことがわかる。このような非
酸化性雰囲気としては、本実施例で使用した窒素の他
に、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気や超高真空雰囲気
などが考えられる。勿論、非酸化性雰囲気として還元性
雰囲気を採用することもできる。
As can be seen from Table 1, not only in a reducing atmosphere but also in a non-oxidizing nitrogen atmosphere, the oxygen content in the sintered body is smaller than the oxygen content in the raw material powder before firing. Is low. This is because, when firing in a non-oxidizing atmosphere, no new oxygen is mixed into the powder component, and oxygen adsorbed on the surface of the compact is removed to some extent during firing. It is believed that there is. The amount of oxygen adsorbed on the surface of the compact depends on the particle size and surface area of the powder, but as long as the calcination is performed in a non-oxidizing atmosphere, the oxygen content in the sintered compact is It does not exceed the oxygen content. Therefore, in carrying out the method for producing a P-type thermoelectric conversion material according to the present invention, a powder having a chemical composition equivalent to a target chemical composition is prepared, molded, and then fired in a non-oxidizing atmosphere. It turns out that it is good. Examples of such a non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere such as argon and an ultra-high vacuum atmosphere in addition to the nitrogen used in this embodiment. Of course, a reducing atmosphere can be employed as the non-oxidizing atmosphere.

【0025】上述した表1の試料13〜17では、種々
の粉末試料の化学組成と、これを還元性雰囲気である水
素雰囲気中で焼成して得られた焼結体の化学組成との関
係を示したものである。これにより、本発明で規定する
のように酸素含有量が制限されたP型熱電変換材料を焼
成によって製造するに当たっては、水素などの還元性雰
囲気中で焼成を行なうことがより確実な方法であること
が分かった。すなわち、試料17のように、出発原料粉
末中の酸素含有量が、CoFex Sby 1モルに対して0.08モ
ル以下であるという条件から外れる場合にも、還元性雰
囲気中で焼成を行なうことによって、得られる焼結体の
酸素含有量は、本発明の範囲内に入ることになる。
Samples 13 to 17 in Table 1 described above show the relationship between the chemical composition of various powder samples and the chemical composition of a sintered body obtained by firing the powder samples in a hydrogen atmosphere as a reducing atmosphere. It is shown. Accordingly, in producing a P-type thermoelectric conversion material having a limited oxygen content by sintering as defined in the present invention, sintering in a reducing atmosphere such as hydrogen is a more reliable method. I understood that. That is, as the sample 17, the oxygen content of the starting raw material powder is, if the relative CoFe x Sb y 1 mole deviate from the condition that 0.08 mol or less, by performing firing in a reducing atmosphere The oxygen content of the resulting sintered body falls within the scope of the present invention.

【0026】上述した文献に記載されているように、Co
Sb3 にFeを添加して熱電変換材料を作製することは既に
試みられている。しかし熱電変換材料をP型とするため
のFeの添加量と酸素量とを規定しておらず、組成によっ
てP−N反転が生じ、導電型の制御がなされていない。
As described in the above-mentioned document, Co
That the sb 3 by the addition of Fe to produce a thermoelectric conversion material has already been tried. However, the addition amount of Fe and the oxygen amount for making the thermoelectric conversion material P-type are not specified, and PN inversion occurs depending on the composition, and the conductivity type is not controlled.

【0027】本発明においては、試料中のFe添加量と酸
素量とを規定することにより、測定温度領域内で一貫し
てP型を有する熱電変換材料を作製することができ、ま
たドーパントであるFeの添加量を変化させることによっ
て電気伝導率を任意に調整することが可能である。
In the present invention, by defining the amount of Fe added and the amount of oxygen in the sample, a thermoelectric conversion material having a P-type can be produced consistently within the measurement temperature range, and it can be used as a dopant. The electric conductivity can be arbitrarily adjusted by changing the amount of Fe added.

【0028】図1は、表1に示した比較例である幾つか
の焼結体の熱電効率を表すゼーベック係数αの温度依存
性を示すグラフであり、図2は、本発明の実施例である
幾つかの焼結体のゼーベック係数αの温度依存性を示す
グラフである。これらのグラフにおいて、ゼーベック係
数αが正の場合には焼結体がP導電型であることを示
し、負の場合にはN導電型であることを示している。
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient α representing the thermoelectric efficiency of some of the sintered bodies which are comparative examples shown in Table 1, and FIG. 2 is an example of the present invention. 4 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient α of some sintered bodies. In these graphs, when the Seebeck coefficient α is positive, it indicates that the sintered body is of P conductivity type, and when it is negative, it indicates that it is of N conductivity type.

【0029】図1および2から明らかなように、比較例
の焼結体の場合には、温度領域によって導電型が反転す
る現象が生じているのに対し、本発明による焼結体の場
合には、測定した全温度領域において安定なP型となっ
ており、しかも大きなゼーベック係数αが得られてい
る。
As is clear from FIGS. 1 and 2, in the case of the sintered body of the comparative example, the phenomenon that the conductivity type is reversed depending on the temperature range occurs, whereas in the case of the sintered body according to the present invention. Is a stable P-type in all measured temperature ranges, and a large Seebeck coefficient α is obtained.

【0030】本発明においては、CoFex Sby で表される
主成分において、Sbの量を2.7 <y<5.7 とし、Feの量
を 0.001<x <0.6 とするのは、このような範囲を外れ
た場合、電気伝導率σまたはゼーベック係数αが低くな
るので、熱電変換モジュールのP型半導体材料として良
好な特性を示さなくなるためである。
[0030] In the present invention, in the main component represented by CoFe x Sb y, the amount of Sb and 2.7 <y <5.7, for an amount of 0.001 <x <0.6 of Fe is such range If it deviates, the electrical conductivity σ or the Seebeck coefficient α will be low, and the P-type semiconductor material of the thermoelectric conversion module will not exhibit good characteristics.

【0031】また、化学組成が、CoFex Sby (0.001<x
<0.6, 2.7<y <5.7)で表される本発明による熱電変換
材料において、含有酸素量を、CoFex Sby 1モルに対し
て0.08モル以下としたのは、それよりも多く酸素を含有
すると、ドーパントとして作用するFeが選択的に酸化さ
れてしまい、安定してP型を示す熱電変換材料を得るこ
とができないためである。
[0031] In addition, the chemical composition, CoFe x Sb y (0.001 < x
<0.6, 2.7 <thermoelectric conversion material according to the present invention represented by y <5.7), the the oxygen content was 0.08 moles or less with respect CoFe x Sb y 1 mole, contains more oxygen than it Then, Fe acting as a dopant is selectively oxidized, and a thermoelectric conversion material exhibiting a P-type cannot be stably obtained.

【0032】図3は、上述した本発明の実施例および比
較例の幾つかの焼結体の室温における電気伝導率と、Co
Fex Sby 1モルに対する酸素含有量との関係を示すグラ
フである。このグラフから明らかなように、CoFex Sby
1モルに対する酸素含有量が増加するに伴って電気伝導
率は急激に低下している。
FIG. 3 shows the electrical conductivity at room temperature of some of the sintered bodies of the above-mentioned examples and comparative examples of the present invention,
Is a graph showing the relationship between oxygen content relative to Fe x Sb y 1 mol. As is apparent from this graph, CoFe x Sb y
The electrical conductivity sharply decreases as the oxygen content per mole increases.

【0033】図4は、上述した表1に示した種々の焼結
体試料におけるFeの化学結合状態についてX線光電子分
光法(XPS) による解析を行った結果を示すものである。
図4において、曲線Aは試料14、曲線Bは試料20に
ついてFeの2pスペクトルを示すものである。これらの曲
線から、焼結体中に酸素が存在している場合、焼結体中
のFeが酸化物の状態で存在することが明らかとなった。
ここで、比較例である試料20の場合には、金属状態の
Feが殆ど消失していることが明らかである。
FIG. 4 shows the results of analyzing the chemical bonding state of Fe in the various sintered compact samples shown in Table 1 by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
In FIG. 4, curve A shows the 2p spectrum of Fe for sample 14, and curve B shows the 2p spectrum of Fe for sample 20. From these curves, it was clarified that when oxygen was present in the sintered body, Fe in the sintered body was present in an oxide state.
Here, in the case of Sample 20 which is a comparative example,
It is clear that Fe has almost disappeared.

【0034】これらのことから、焼結体中に酸素が存在
している場合、ドーパントであるFeの酸化が起こること
が明らかとなった。したがって、本発明による化学組成
範囲を外れた酸素濃度を有する焼結体の場合には、ドー
パントであるFeの酸化が起こるため、N型化が引き起こ
され、目的とするP型の熱電変換材料を得ることができ
ないことになる。そして、この際にはFeは三酸化物とな
ることがわかっている。
From these facts, it has been clarified that when oxygen is present in the sintered body, oxidation of Fe as a dopant occurs. Therefore, in the case of a sintered body having an oxygen concentration outside the chemical composition range according to the present invention, oxidation of Fe, which is a dopant, occurs, so that N-type is caused, and a desired P-type thermoelectric conversion material is used. You will not be able to get it. In this case, it is known that Fe becomes a trioxide.

【0035】[0035]

【発明の効果】上述した考察の結果、本発明による化学
組成において、上述したように酸素濃度を限定したもの
では、導電型を制御するドーパント元素であるFeが金属
状態で存在するため、広い温度範囲において優れた特性
を有するとともに安定してP型を示す熱電変換材料が得
られることが分かった。
As a result of the above considerations, in the chemical composition according to the present invention, when the oxygen concentration is limited as described above, since the dopant element Fe for controlling the conductivity type exists in a metal state, a wide temperature range is obtained. It was found that a thermoelectric conversion material having excellent characteristics in the range and stably exhibiting P-type was obtained.

【0036】また、本発明による製造方法では、汎用的
な焼結法を用いて、高い熱電特性を有する安定なP型の
半導体を製造することができるので、高性能なP型熱電
変換材料を安価に効率良く生産でき、その工業的な価値
は非常に大きいものである。
In the manufacturing method according to the present invention, a stable P-type semiconductor having high thermoelectric characteristics can be manufactured by using a general-purpose sintering method. It can be produced efficiently at low cost, and its industrial value is very large.

【0037】さらに、この種の材料は、立方晶型のCoSb
3 の結晶構造を基本骨格としているため、P型とN型の
不純物を含有する個々の材料は同一の結晶構造を有して
いる。したがって、その熱的安定性、熱膨張率とも同一
の材料と見做せるので、粉末成形によってもP−N接合
の形成が容易であり、さらに室温から300 ℃以上の広い
温度範囲において化学的にも安定であり、熱的特性の劣
化が起こらず、耐熱性、成形性に優れたまた経済的にも
優れたものである。
Further, this type of material is a cubic type of CoSb.
Since the crystal structure of 3 is used as the basic skeleton, each material containing P-type and N-type impurities has the same crystal structure. Therefore, it can be considered that the material has the same thermal stability and coefficient of thermal expansion, so that the PN junction can be easily formed by powder molding, and furthermore, it can be chemically formed in a wide temperature range from room temperature to 300 ° C. or more. Is also stable, does not deteriorate in thermal characteristics, is excellent in heat resistance and moldability, and is economically excellent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、比較例のP型熱電変換材料のゼーベッ
ク係数の温度依存性を表すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of a Seebeck coefficient of a P-type thermoelectric conversion material of a comparative example.

【図2】図2は、本発明によるP型熱電変換材料のゼー
ベック係数の温度依存性を表すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a P-type thermoelectric conversion material according to the present invention.

【図3】図3は、本発明のP型熱電変換材料の酸素含有
量と電気伝導率との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the oxygen content and the electrical conductivity of the P-type thermoelectric conversion material of the present invention.

【図4】図4は、本発明によるP型熱電変換材料の実施
例および比較例におけるFeの存在形態を表すX線光電子
分光スペクトルを示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum showing the form of Fe in Examples and Comparative Examples of the P-type thermoelectric conversion material according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三好 実人 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 古谷 健司 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 櫛引 圭子 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 小林 正和 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 4K018 AC01 AD20 BA04 BC10 BC20 DA31 KA32  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Miyoshi Minato 2-56, Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Inside Nihon Insulators Co., Ltd. (72) Inventor Keiko Kushibiki Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Masakazu Kobayashi Nissan Motor Co., Ltd. F-term (reference: 2) Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa 4K018 AC01 AD20 BA04 BC10 BC20 DA31 KA32

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 熱電変換モジュールのP型半導体として
使用される熱電変換材料において、主成分の化学組成
が、CoFex Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7<y <5.7)で表
され、その含有酸素量が、CoFex Sby 1モルに対して0.
08モル以下であることを特徴とするP型熱電変換材料。
1. A thermoelectric conversion material used as a P-type semiconductor thermoelectric conversion module, the chemical composition of the main component, CoFe x Sb y is represented by (0.001 <x <0.6, 2.7 <y <5.7), the oxygen content, 0 for CoFe x Sb y 1 mol.
A P-type thermoelectric conversion material characterized in that the amount is 08 mol or less.
【請求項2】 前記P型半導体が、焼結体から成ること
を特徴とする請求項1に記載のP型熱電変換材料。
2. The P-type thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the P-type semiconductor is made of a sintered body.
【請求項3】 化学組成 CoSb3で表される主成分と、導
電型をP型に制御するための少量のFeとを含むP型の熱
電変換材料を焼成法によって製造するに当たり、主成分
の化学組成がCoFex Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7<y <
5.7)で表される原料粉末を、還元性雰囲気中で焼成する
ことを特徴とするP型熱電変換材料の製造方法。
3. Manufacturing a P-type thermoelectric conversion material containing a main component represented by a chemical composition CoSb 3 and a small amount of Fe for controlling the conductivity type to P-type by a firing method. chemical composition CoFe x Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7 <y <
5.7) A method for producing a P-type thermoelectric conversion material, wherein the raw material powder represented by 5.7) is fired in a reducing atmosphere.
【請求項4】 化学組成CoSb3 で表される主成分と、導
電型をP型に制御するための少量のFeとを含むP型の熱
電変換材料を焼成法によって製造するに当たり、主成分
の化学組成がCoFex Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7<y <
5.7)で表され、1モルに対する含有酸素量が0.08モル以
下の原料粉末を、非酸化性雰囲気中で焼成することを特
徴とするP型熱電変換材料の製造方法。
4. When a P-type thermoelectric conversion material containing a main component represented by the chemical composition CoSb 3 and a small amount of Fe for controlling the conductivity type to P-type is produced by a firing method, chemical composition CoFe x Sb y (0.001 <x <0.6, 2.7 <y <
5.7) A method for producing a P-type thermoelectric conversion material, characterized by firing a raw material powder having an oxygen content of 0.08 mol or less per 1 mol in a non-oxidizing atmosphere.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101042575B1 (en) 2009-08-11 2011-06-20 충주대학교 산학협력단 In-Co-Fe-Sb BASED SKUTTERUDITE THERMOELECTRIC MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

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