JP2001189495A - Method for combining thermoelectric conversion material configuration atom - Google Patents

Method for combining thermoelectric conversion material configuration atom

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JP2001189495A
JP2001189495A JP37328899A JP37328899A JP2001189495A JP 2001189495 A JP2001189495 A JP 2001189495A JP 37328899 A JP37328899 A JP 37328899A JP 37328899 A JP37328899 A JP 37328899A JP 2001189495 A JP2001189495 A JP 2001189495A
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JP
Japan
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atom
electron
constituting
atoms
anion
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Japanese (ja)
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Kakuei Matsubara
覚衛 松原
Hiroaki Abu
宏明 阿武
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YAMAGUCHI INDUSTRIAL PROMOTION FOUNDATION
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YAMAGUCHI IND PROMOTION FOUNDA
YAMAGUCHI INDUSTRIAL PROMOTION FOUNDATION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To give a guide for combining the configuration atoms of a thermoelectric conversion material for constituting a Heusler-type compound. SOLUTION: Neutral atom configuration atoms for composing neutral atoms by eliminating insufficient electron-filled state in the s, p, and d orbitals of electron orbitals, a cation configuration atom for composing a cation by eliminating insufficient electron-filled state in the s, p, and d orbits of the electron orbitals, an anion configuration atom for composing an anion by eliminating insufficient electron-filled state in the s, p, and d orbitals of the electron orbitals are combined so that the charge balance, based on the anion configuration atom and the cation configuration atom can be balanced, thus constituting the thermoelectric conversion material of a Heusler-type compound.

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、熱エネルギーと電
気エネルギーとの相互変換を行う熱電変換材料に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion material for performing mutual conversion between heat energy and electric energy.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、熱エネルギーを電気エネルギーに
直接変換したり、あるいは電気エネルギーを熱エネルギ
ーに直接変換する熱電変換材料の研究が行われている。
かかる熱電変換材料は、ゼーベック効果、あるいはペル
チェ効果を利用して熱電変換を行うものであるが、その
変換性能は、性能指数と呼ばれる以下の式、 Z=α2 (σ/κ) Z:性能指数(K-1) α:ゼーベック係数(VK-1:単位温度当たりの発生熱
起電力) σ:電気伝導度(Scm-1) κ:熱伝導度(Wcm-1-1) で示される。
2. Description of the Related Art In recent years, research has been conducted on thermoelectric conversion materials for directly converting thermal energy into electrical energy or directly converting electrical energy into thermal energy.
Such a thermoelectric conversion material performs thermoelectric conversion using the Seebeck effect or the Peltier effect. The conversion performance is represented by the following formula called a performance index: Z = α 2 (σ / κ) Z: performance index (K -1) α: Seebeck coefficient (VK -1: generating heat power per unit temperature) sigma: electrical conductivity (Scm -1) κ: represented by thermal conductivity (Wcm -1 K -1) .

【0003】熱電変換は、駆動部分がなく小型軽量であ
り、メンテナンスフリーで半永久的に使えるなどの優れ
た特徴がある。その特徴を活かして、例えば、熱電発電
では宇宙探査機の電源として、また灯台などの僻地利用
の電源として利用されている。
[0003] The thermoelectric conversion has excellent features such as being small in size and light in weight without a driving part, maintenance-free, and semi-permanent. Taking advantage of this feature, for example, thermoelectric power generation is used as a power source for space probes and as a power source for use in remote areas such as lighthouses.

【0004】一方、ペルチェ効果は、半導体レーザー、
センサー、集積回路(LSI)などの電子素子の冷却
や、小型のクーラーボックスなどの民生用にも利用され
ている。しかし現状では、変換効率が10%以下である
ので、現有のエネルギー変換系と競合できる段階には至
っていない。
On the other hand, the Peltier effect is a semiconductor laser,
It is also used for cooling electronic devices such as sensors and integrated circuits (LSI) and for consumer use such as small cooler boxes. However, at present, since the conversion efficiency is 10% or less, it has not reached a stage where it can compete with existing energy conversion systems.

【0005】熱電変換を多くの用途で使えるレベルまで
引き上げるには、いくつかの課題を解決することが必要
である。中でも変換効率の向上が第一の課題であり、変
換効率20%が達成できれば応用分野は飛躍的に拡大で
きる。このほかに、熱電変換の優位性、他のエネルギー
変換系との競合性、COP(成績係数)、経済性(コス
ト)などの多面的な検討も必要である。
To raise thermoelectric conversion to a level that can be used in many applications, it is necessary to solve some problems. Above all, improvement of the conversion efficiency is the first problem, and if a conversion efficiency of 20% can be achieved, the application field can be dramatically expanded. In addition, it is necessary to consider various aspects such as superiority of thermoelectric conversion, competitiveness with other energy conversion systems, COP (coefficient of performance), and economics (cost).

【0006】これらの技術的問題点が解決されると、産
業分野での用途や民生品での幅広い利用が見えてくる。
例えば、自動車のエンジン排熱が電気エネルギーとして
回収できる。現行の自動車のエンジンでは燃料の約26
%が動力であり、残りは約60%は熱として大気中に放
出されている。
[0006] When these technical problems are solved, applications in the industrial field and widespread use in consumer products become apparent.
For example, exhaust heat of an automobile engine can be recovered as electrical energy. The current car engine has about 26 fuel
% Is power, and the remaining about 60% is released to the atmosphere as heat.

【0007】エンジン外壁またはターボチャージャーか
ら放出される約800℃の排熱で電力をつくり、これを
バッテリーに充電すればクーラーやオルタネーターなど
の駆動用として利用できる。
[0007] Electric power is generated by the exhaust heat of about 800 ° C emitted from the outer wall of the engine or the turbocharger, and if this is charged into a battery, it can be used for driving a cooler or an alternator.

【0008】その他、中小規模焼却炉の高温排熱や燃料
電池の反応熱からのエネルギー回収(科学技術庁・航空
宇宙研究所)、ヒートパイプに熱電発電モジュールを組
み込んだ高速増殖炉(電力中央研究所)の熱交換器な
ど、幅広い分野で実用化が期待できる。
[0008] In addition, energy recovery from high-temperature exhaust heat from small and medium-scale incinerators and reaction heat from fuel cells (Science and Technology Agency, Aerospace Research Institute), a fast breeder reactor with a thermoelectric power module incorporated in a heat pipe (Central Research Institute of Electric Power Industry) Practical application can be expected in a wide range of fields such as heat exchangers.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】現在、上記のように種
々の分野で熱電変換材料に対する強い実用化の要請があ
り、変換効率の優れた新規な熱電変換材料の開発は急務
である。その中で、ホイスラー型結晶構造をもつ金属間
化合物の一部は半導体的性質を示すことから、新規熱電
材料として注目されている。
At present, there is a strong demand for thermoelectric conversion materials in various fields as described above, and there is an urgent need to develop new thermoelectric conversion materials having excellent conversion efficiency. Among them, some intermetallic compounds having a Heusler-type crystal structure have attracted attention as new thermoelectric materials because they exhibit semiconductor properties.

【0010】しかしながら、これまでホイスラー型金属
間化合物は金属伝導を示す磁性材料としての研究が主に
進められており、例えば、優れた磁気光学材料としてP
tMnSbが得られているものの熱電変換材料としての
実用化できる熱電性能を有するホイスラー合金は得られ
ていない。ホイスラー合金の熱電性能は化合物を構成す
る元素の組合せに依存する。しかし、熱電材料としての
ホイスラー型化合物の十分な開発手法は提案されておら
ず、ある意味では、手探りの状態である。
However, research on Heusler-type intermetallic compounds as a magnetic material exhibiting metal conduction has been mainly carried out so far.
Although tMnSb is obtained, a Heusler alloy having thermoelectric performance that can be put to practical use as a thermoelectric conversion material has not been obtained. The thermoelectric performance of a Heusler alloy depends on the combination of elements constituting the compound. However, no sufficient method for developing a Heusler-type compound as a thermoelectric material has been proposed, and in a sense, it is in a state of groping.

【0011】本発明者らは、自ら新規熱電変換材料の開
発に携わりつつ、かかる状況に憂慮し、より効率的な開
発が行えるように、開発手法に資する基準を見いだすべ
きと常々考えてきた。
The present inventors have been concerned with such a situation while working on the development of a new thermoelectric conversion material by themselves, and have always thought that a standard that contributes to the development method should be found so that more efficient development can be performed.

【0012】本発明の目的は、新規熱電変換材料として
の材料開発に際して、ホイスラー型化合物の構成原子の
組合せ方法の基準を与えることにある。
An object of the present invention is to provide a standard for a method of combining constituent atoms of a Heusler-type compound when developing a material as a novel thermoelectric conversion material.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかるホ
イスラー型熱電変換材料の探索方法において、従来手探
りの状態であった問題を見直し、新規熱電変換材料とし
てのホイスラー型化合物の探索基準を提案する。
Means for Solving the Problems In the method for searching for a Heusler-type thermoelectric conversion material, the present inventors reviewed the problems that had been groped in the past, and set the search criteria for a Heusler-type compound as a new thermoelectric conversion material. suggest.

【0014】従来、ホイスラー合金については磁性材料
として理論的には電子構造が議論されているものの、熱
電変換材料としての見地からは殆ど議論されていない。
この点を見直しホイスラー合金の電子結合状態またはバ
ンド構造と、熱電特性の相関について研究を行った中か
ら、本発明に至ったものである。
Conventionally, although the electronic structure of a Heusler alloy has been discussed theoretically as a magnetic material, it has hardly been discussed from the viewpoint of a thermoelectric conversion material.
The present invention has been accomplished by reviewing this point and conducting research on the correlation between the electronic bonding state or band structure of the Heusler alloy and the thermoelectric properties.

【0015】本発明者らは、特にPtGdBiついて、
同様の結晶構造を有するホイスラー合金のPtMnS
b、PdMnSbと比較しつつ、その電子結合状態とバ
ンド構造とに着目し研究を行った結果、ホイスラー型化
合物の中で熱電変換材料として良好な特性をもつための
構成元素の組合せについて、電子構造論的観点からその
選択基準を見出した。かかる基準に沿って原子構成を選
択することにより、新規なホイスラー型化合物によって
構成される熱電変換材料を効率的に提供することができ
る。
[0015] The present inventors have specifically proposed PtGdBi,
PtMnS of Heusler alloy having similar crystal structure
b, PdMnSb, compared with PdMnSb, and focused on its electronic bonding state and band structure. As a result, the combination of constituent elements for having good characteristics as a thermoelectric conversion material in a Heusler-type compound was investigated. We found the selection criterion from a theoretical point of view. By selecting an atomic configuration in accordance with such criteria, a thermoelectric conversion material composed of a novel Heusler-type compound can be efficiently provided.

【0016】すなわち、本発明のホイスラー型化合物に
よって構成される熱電変換材料の構成原子の組合せ方法
は、電子軌道における不十分な電子充填状態を解消し
て、中性原子を構成する中性原子構成原子と、電子軌道
における不十分な電子充填状態を解消して、陽イオンを
構成する陽イオン構成原子と、電子軌道における不十分
な電子充填状態を解消して、陰イオンを構成する陰イオ
ン構成原子とを、前記陽イオン構成原子と前記陰イオン
構成原子とに基づく電荷バランスが平衡するように組合
せて、ホイスラー型化合物を構成することを特徴とす
る。
That is, the method of combining the constituent atoms of the thermoelectric conversion material constituted by the Heusler-type compound of the present invention eliminates the insufficiently charged state of electrons in the electron orbits to form the neutral atoms constituting the neutral atoms. Atoms and cations that make up the cations that make up the insufficient electron filling state in the electron orbitals, and an anions that make up the anions that make up the insufficient electron filling states in the electron orbitals A Heusler-type compound is constituted by combining atoms so that the charge balance based on the cation constituent atoms and the anion constituent atoms is balanced.

【0017】また、電子軌道における不十分な電子充填
状態を解消して、中性原子を構成する中性原子構成原子
と、電子軌道における不十分な電子充填状態を解消し
て、陽イオンを構成する陽イオン構成原子と、電子軌道
における不十分な電子充填状態を解消して、陰イオンを
構成する陰イオン構成原子とを、前記陽イオン構成原子
と前記陰イオン構成原子とに基づく電荷バランスが平衡
するように組合せてホイスラー型化合物を構成し、前記
中性原子構成原子がNi、前記陽イオン構成原子がT
i、ZrまたはHf、前記陰イオン構成原子がSi、G
e、SnまたはPdであることを特徴とする。
In addition, the insufficient electron filling state in the electron orbitals is eliminated to form neutral atoms constituting the neutral atoms, and the insufficient electron filling state in the electron orbitals is eliminated to form cations. The cation constituent atoms, and the charge balance based on the cation constituent atoms and the anion constituent atoms that resolve the insufficient electron filling state in the electron orbit and the anion constituent atoms forming the anion. A Heusler-type compound is constituted by combining them so as to be in equilibrium, wherein the neutral atom is Ni and the cation is T
i, Zr or Hf, wherein the anion constituting atom is Si, G
e, Sn or Pd.

【0018】電子軌道における不十分な電子充填状態を
解消して、中性原子を構成する中性原子構成原子と、電
子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陽イ
オンを構成する陽イオン構成原子と、電子軌道における
不十分な電子充填状態を解消して、陰イオンを構成する
陰イオン構成原子とを、前記陽イオン構成原子と前記陰
イオン構成原子とに基づく電荷バランスが平衡するよう
に組合せてホイスラー型化合物を構成し、前記中性原子
構成原子がPt、前記陽イオン構成原子がGd、Tb、
Lu、Pa、UまたはCmであり、前記陰イオン構成原
子がP、As、SbまたはBiであることを特徴とす
る。
[0018] The insufficient electron filling state in the electron orbitals is eliminated, and the neutral atom constituting atoms constituting the neutral atoms is eliminated, and the insufficient electron filling state in the electron orbitals is eliminated to form the positive ions constituting the cations. The charge balance based on the cation constituent atoms and the anion constituent atoms of the ionic constituent atoms and the anion constituent atoms constituting the anion by eliminating the insufficient electron filling state in the electron orbit is balanced. To form a Heusler-type compound, wherein the neutral atom-constituting atom is Pt, the cation-constituting atom is Gd, Tb,
Lu, Pa, U or Cm, and the anion-constituting atom is P, As, Sb or Bi.

【0019】上記いずれかに記載の熱電変換材料構成原
子の組合せ方法において、前記ホイスラー型化合物に
は、0.1〜50原子%の不純物がドーピングされてい
ることを特徴とする。
In any one of the above-described methods for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials, the Heusler-type compound is doped with 0.1 to 50 atomic% of impurities.

【0020】前記いずれかに記載の熱電変換材料構成原
子の組合せ方法において、不十分な電子充填状態を解消
して中性原子を構成するに際しては、前記中性原子構成
原子の前記陽イオン構成原子からの電子の受領と、前記
中性原子構成原子からの前記陰イオン構成原子への電子
の供与とにより行われると見なされることを特徴とす
る。
In any one of the above-mentioned methods for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials, when a neutral atom is constituted by eliminating an insufficiently filled state of electrons, the cation constituting atom of the neutral atom constituting atom is used. , And the donation of electrons from the neutral atom to the anion atom.

【0021】前記いずれかに記載の熱電変換材料構成原
子の組合せ方法において、不十分な電子充填状態を解消
して陽イオンを構成するに際しては、前記陽イオン構成
原子からの前記中性原子構成原子への電子の供与と、前
記陽イオン構成原子からの前記陰イオン構成原子への電
子の供与とにより行われると見なされることを特徴とす
る。
In any one of the above-described methods for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials, when a cation is constituted by eliminating an insufficiently charged state of electrons, the atom constituting the neutral atom is converted from the atom constituting the cation. And electron donation from the cation constituent atom to the anion constituent atom.

【0022】前記いずれかに記載の熱電変換材料構成原
子の組合せ方法において、不十分な電子充填状態を解消
して陰イオンを構成するに際しては、前記陰イオン構成
原子の前記中性原子構成原子からの電子の受領と、前記
陰イオン構成原子の前記陽イオン構成原子からの電子の
受領とにより行われると見なされることを特徴とする。
In any of the above-described methods for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials, when an anion is formed by eliminating an insufficiently charged state of electrons, the neutral atoms constituting the anions may be converted from the neutral atoms constituting the anions. And the receipt of electrons from the cation constituent atoms of the anion constituent atoms.

【0023】前記いずれかに記載の熱電変換材料構成原
子の組合せ方法において、電子の受領および供与には、
同一主量子数の電子軌道間の電子移動が関与していると
見なされることを特徴とする。前記いずれかに記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、電子の受
領、および/または供与には、異なる主量子数の電子軌
道間の電子移動が関与していると見なされることを特徴
とする。
[0023] In the method for combining atoms constituting the thermoelectric conversion material according to any one of the above, the receiving and donating of the electrons may include:
It is characterized in that electron transfer between electron orbitals of the same principal quantum number is considered to be involved. The method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material according to any one of the above, wherein electron transfer between electron orbitals having different principal quantum numbers is considered to be involved in electron reception and / or donation. I do.

【0024】上記構成の中性原子構成原子、陽イオン構
成原子、陰イオン構成原子の選定は、例えば、中性原子
の基底状態の電子配置から、上記構成を満足する原子構
成の組み合わせを選択することにより行える。手探り状
態で種々の原子の組み合わせを考慮する従来方法の新規
熱電変換材料の探索方法に比べて、格段に探索範囲を狭
めることができ、優れた熱電変換材料の開発が効率的に
行える。
The selection of the constituent atoms of the neutral atom, the cation, and the anion constituting the above-mentioned structure is performed by, for example, selecting a combination of the atomic structures satisfying the above-mentioned structure from the electron configuration of the ground state of the neutral atom. It can be done by doing. Compared with the conventional method of searching for a new thermoelectric conversion material in which various combinations of atoms are considered in a groping state, the search range can be significantly reduced, and an excellent thermoelectric conversion material can be efficiently developed.

【0025】本明細書で使用する「軌道」とは、主量子
数、方位量子数、磁気量子数の一組の組み合わせで規定
され、電子の存在確率を示す波動関数により表示される
ものを意味し、オービタル(orbital)とも呼ば
れる。各軌道には電子スピンが逆方向(異なるスピン量
子数)の電子が最大2個まで入り得る。
As used herein, the term “orbit” is defined by a combination of a principal quantum number, an azimuthal quantum number, and a magnetic quantum number, and is represented by a wave function indicating the existence probability of electrons. And it is also called orbital. Each orbital can contain up to two electrons whose electron spins are in opposite directions (different spin quantum numbers).

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0027】PtGdBiなる組成式を有するホイスラ
ー型化合物に属する3元合金を製造し、その熱電特性と
結晶構造中の原子配置、電子構造との関係を調べた。G
dは、純度99.9%の原料を使用した。Ptの原料に
は、99.99%の原料を使用した。Biの原料には、
純度99.9999%の原料を使用した。
A ternary alloy belonging to the Heusler-type compound having a composition formula of PtGdBi was manufactured, and the relationship between the thermoelectric properties and the atomic arrangement in the crystal structure and the electronic structure was examined. G
For d, a raw material having a purity of 99.9% was used. 99.99% of a raw material of Pt was used. The raw materials for Bi include:
A raw material having a purity of 99.9999% was used.

【0028】これらの原料を上記組成式に基づく化学量
論的割合に合わせて秤量し、これらをアーク溶解した。
アーク溶解により得られた合金物質は、組成が均一とな
るように、必要回数再溶解を繰り返した。その後、得ら
れたインゴットを熱処理することによってPtGdBi
で構成される試料を作製した。得られた結晶の構造は、
X線回析により確認した。
These raw materials were weighed in accordance with the stoichiometric ratio based on the above composition formula, and were arc-melted.
The alloy material obtained by arc melting was repeatedly melted as many times as necessary so that the composition became uniform. Thereafter, the obtained ingot is heat-treated to obtain PtGdBi.
Was prepared. The structure of the obtained crystal is
Confirmed by X-ray diffraction.

【0029】このようにして得られた試料について、そ
の熱電特性を測定した。図1は、電気伝導度の温度依存
性を示している。比較として、ホイスラー合金のMnベ
ースのアンチモナイドであるPtMnSb、PdMnS
bの電気伝導度も示した。図1に示す電気伝導度から
は、PtMnSb、PdMnSbが、通常とは異なる温
度依存性を示していることがわかる。かかる温度依存性
は、キャリヤー散乱によるものとは考えられず、バンド
構造の変化によるものと推測される。
The thus obtained sample was measured for its thermoelectric properties. FIG. 1 shows the temperature dependence of the electrical conductivity. For comparison, PtMnSb and PdMnS, which are Mn-based antimonides of Heusler alloys
The electric conductivity of b is also shown. From the electrical conductivity shown in FIG. 1, it can be seen that PtMnSb and PdMnSb exhibit different temperature dependence than usual. Such temperature dependence is not considered to be due to carrier scattering, but is presumed to be due to a change in band structure.

【0030】かかるPtMnSb、PdMnSbに比較
して、PtGdBiでは、半導体のような挙動をとって
いる。ホール濃度は、室温で7×1019cm-3であっ
た。ホール移動度は、室温で約120cm2 /Vs、1
00Kで220cm2 /Vsであった。
Compared to PtMnSb and PdMnSb, PtGdBi behaves like a semiconductor. The hole concentration was 7 × 10 19 cm −3 at room temperature. Hall mobility is about 120 cm 2 / Vs, 1 at room temperature.
It was 220 cm 2 / Vs at 00K.

【0031】図2には、ゼーベック係数の温度依存性を
示す。前記図1と同様に、PtGdBiと共にPtMn
Sb、PdMnSbを比較として示した。PtMnS
b、PdMnSbに関しては、300〜850Kの範囲
で、極めて低い値を示しているが、PtGdBiに関し
ては、室温で60μV/K、550〜750Kの温度範
囲で82μV/Kの高い値を示した。
FIG. 2 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient. As in the case of FIG.
Sb and PdMnSb are shown for comparison. PtMnS
b and PdMnSb showed extremely low values in the range of 300 to 850 K, but PtGdBi showed high values of 60 μV / K at room temperature and 82 μV / K in the temperature range of 550 to 750 K.

【0032】PtGdBiは、図3に示すように、Pt
MnSb、PdMnSbと同様のCIb 対称性の結晶構造
を有し、かかる構造はX線回析により確認された。図3
に示す単位結晶格子中では、BiとGdとは副格子を構
成して、Biの両隣に90°の角度を有してGdが配置
された原子配置をとっている。かかる様子を、図4に示
した。
PtGdBi is, as shown in FIG.
It has the same CIb symmetric crystal structure as MnSb and PdMnSb, and such a structure was confirmed by X-ray diffraction. FIG.
In the unit crystal lattice shown in (1), Bi and Gd form a sublattice, and have an atomic arrangement in which Gd is arranged at an angle of 90 ° on both sides of Bi. This is shown in FIG.

【0033】図4では、Biの6py 3 軌道の両隣に、
Gdの5dxy 1 、5dyz 1 軌道が90度の角度を有して
配置されている様子を示している。両者の交換積分Jは
負となりエネルギー的な相互作用が存在してることが計
算からも確認される。
[0033] In Figure 4, on both sides of 6p y 3 trajectory Bi,
The figure shows that the 5d xy 1 and 5 dyz 1 orbits of Gd are arranged at an angle of 90 degrees. The exchange integral J of both becomes negative, and it is also confirmed from the calculation that an energetic interaction exists.

【0034】Ptは、[Xe]4f145d9 6s1 の電
子配置を有している。すなわち、Xeと同一の電子配置
を内殻に有し、外殻に不十分な電子充填状態の5d9
1軌道を有した電子配置となっている。異なるスピン
の電子を最大10個まで許容可能な主量子数5のd軌道
に9個の電子が充填され、電子を最大2個まで許容可能
な主量子数6のs軌道に1個の電子が充填されて、いず
れの軌道も不十分な電子充填状態になっていることがわ
かる。これらの不十分な電子充填状態を解消することに
より、Ptはエネルギー的に安定化する。
[0034] Pt has an electronic configuration of [Xe] 4f 14 5d 9 6s 1. That is, 5d 9 6 having the same electron configuration as Xe in the inner shell and insufficient electron filling in the outer shell.
The electron configuration has an s 1 orbit. Nine electrons are filled in the d orbital of principal quantum number 5, which can accept up to 10 electrons of different spins, and one electron is in the s orbital of principal quantum number 6, which can accept up to 2 electrons. It can be seen that all the orbits are in an insufficiently electron-filled state after being filled. By resolving these insufficient electron filling states, Pt is energetically stabilized.

【0035】一方、Biは、[Xe]4f145d106s
2 6p3 の電子配置を有している。すなわち、内殻にX
eの電子配置を有し、外殻の6p3 軌道が不十分な電子
充填状態となっている。そのため、外殻の主量子数6の
p軌道には、他の原子から3個の電子を受けて軌道を満
たし、陰イオンを構成することにより、エネルギー的に
安定な電子配置を取ろうとする傾向があると言える。
[0035] On the other hand, Bi is, [Xe] 4f 14 5d 10 6s
It has an electronic arrangement of 2 6p 3. That is, X
e, and the 6p 3 orbital of the outer shell is in an insufficiently filled state. Therefore, the p-orbital of the main quantum number 6 in the outer shell fills the orbital by receiving three electrons from other atoms, and tends to take an energetically stable electron configuration by forming an anion. It can be said that there is.

【0036】Gdは、[Xe]4f7 5d1 6s2 の電
子配置を有している。内殻にXeの閉殻電子配置を有
し、外殻の5d1 が不十分な電子充填状態となってい
る。かかる電子配置を有するGdは、5d1 電子軌道か
ら電子を1個放出して、陽イオンになりやすい傾向を有
していると言える。なお、Gdでは、4f7 軌道も電子
充填状態は不十分ではあるが、5d、6s、6p軌道と
の電子移動を行う程には相互のエネルギー順位は接近し
ておらず、本考察からは除外できる。
[0036] Gd has an electronic configuration of [Xe] 4f 7 5d 1 6s 2. The inner shell has a closed shell electron configuration of Xe, and 5d 1 in the outer shell is in an insufficiently electron-filled state. It can be said that Gd having such an electron configuration has a tendency to emit one electron from the 5d 1 electron orbit and easily become a cation. In the case of Gd, the electron filling state of the 4f 7 orbital is insufficient, but the mutual energy ranks are not close enough to transfer electrons to the 5d, 6s and 6p orbitals, and are excluded from this study. it can.

【0037】PtGdBiでは、前述のようにその単位
格子中にBi−Gdの副格子が形成されており、かかる
副格子では、図3に示すように、Biの両隣に90°の
角度有して2個のGdが配置された構成が形成されてい
る。
In PtGdBi, a Bi-Gd sub-lattice is formed in the unit cell as described above. In this sub-lattice, as shown in FIG. A configuration in which two Gd are arranged is formed.

【0038】そこで、かかる結晶格子中の原子配置と、
Pt、Gd、Biの上記電子配置とを併せて考えると、
Gdの5d1 軌道から1個の電子がPtの同じ主量子数
の5d9 軌道へ移動して、Ptの5d9 軌道は5d10
道となり、5d軌道は完全に満たされて5d9 軌道の不
十分な電子充填状態が解消されていると考えられる。G
dでは、5d1 軌道から電子が1個放出されて不十分な
電子充填状態であった5d軌道は完全に空位となり解消
されている。
Therefore, the arrangement of atoms in such a crystal lattice,
Considering the above electron configuration of Pt, Gd, and Bi together,
One electron moves from the 5d 1 orbital of Gd to the 5d 9 orbital of the same principal quantum number of Pt, and the 5d 9 orbital of Pt becomes a 5d 10 orbital, and the 5d orbital is completely filled and the 5d 9 orbital is not filled. It is considered that the sufficient electron filling state has been eliminated. G
In d, one electron is emitted from the 5d 1 orbit, and the 5 d orbit in an insufficiently charged state is completely vacant and eliminated.

【0039】一方、Gdの6s2 軌道からの2個の電子
と、Ptの6s1 軌道からの1個の電子とは、Biの6
3 軌道へ移動することにより、GdはGd3+の陽イオ
ンとなり、BiはBi3-の陰イオンとなり、陽イオン、
陰イオンの電荷バランスの平衡を保ちながら、各原子の
不十分な電子充填状態の解消が図られている。
On the other hand, two electrons from the 6s 2 orbit of Gd and one electron from the 6s 1 orbit of Pt correspond to 6 electrons of the Bi
By moving to the p 3 orbit, Gd becomes a Gd 3+ cation, Bi becomes a Bi 3- anion, and a cation,
While maintaining the balance of the charge balance of anions, the insufficient electron filling state of each atom is eliminated.

【0040】すなわち、Gdの6s2 軌道からの2個の
電子と、Ptの6s1 軌道からの1個の電子とが、Bi
の6p3 軌道へ移動することにより、中性原子のGd
は、Gd3+となり、その電子配置は、[Xe]4f7
なりs軌道、p軌道、d軌道における不十分な電子充填
状態が解消されている。
That is, two electrons from the 6s 2 orbit of Gd and one electron from the 6s 1 orbit of Pt are Bi
To the 6p 3 orbit of Gd
Is Gd 3+ , and the electron configuration is [Xe] 4f 7 , which eliminates the insufficient electron filling state in the s orbit, p orbit, and d orbit.

【0041】中性原子のPtも、Gdから1個の電子を
受け入れて5d9 軌道が5d10軌道となり、併せて6s
1 軌道から1個の電子をBiの6p3 軌道へ放出させる
ことにより、その電子配置は、[Xe]4f145d10
なり、不十分な電子充填状態を解消して、所謂閉殻電子
配置を有する中性原子構成原子となっている。
As for the neutral atom Pt, the 5d 9 orbit becomes 5d 10 orbit by accepting one electron from Gd, and 6s in total.
The one electron from 1 trajectories be released to 6p 3 orbit of Bi, the electronic arrangement, [Xe] 4f 14 5d 10 next, to eliminate the poor electronic filling state, having so-called closed shell electron configuration It is a neutral atom.

【0042】Biでは、Gdの6s2 軌道からの2個の
電子と、Ptの6s1 軌道からの1個の電子とを、Bi
の6p3 軌道へ受け入れることにより、6p3 軌道の不
十分な電子充填状態が解消され、[Xe]4f145d10
6s2 6p6 の電子配置を有する安定な電子配置を有し
た陰イオンのBi3-となっている。
In Bi, two electrons from the 6s 2 orbit of Gd and one electron from the 6s 1 orbit of Pt are
By accepting to the 6p 3 orbits, insufficient electron state of filling 6p 3 trajectory is eliminated, [Xe] 4f 14 5d 10
An anion having a stable electron configuration of 6s 2 6p 6 is Bi 3− .

【0043】Gdでは、Gdの5d1 軌道からの1個の
電子をPtの5d9 へ、6s2 軌道からの2個の電子を
Biの6p3 軌道へ供与することにより、5d1 軌道の
不十分な電子充填状態が解消され、[Xe]4f7 の電
子配置を有する安定な電子配置を有した陽イオンのGd
3+となっている。
[0043] In Gd, one electron from 5d 1 orbit Gd to Pt of 5d 9, by donating two electrons from 6s 2 orbital to 6p 3 orbit of Bi, the 5d 1 track not sufficient electron filling state is canceled, [Xe] 4f 7 cation Gd having a stable electron configuration having an electron configuration of
3+ .

【0044】このようにPtGdBiでは、Pt、G
d、Biのそれぞれの原子が基底状態の電子配置におけ
るs軌道、p軌道、d軌道の不十分な電子充填状態を解
消して、狭いバンドギャップを有するエネルギー的に安
定な結晶構造が創出されることから、同一の結晶構造を
有するPtMnSb、PdMnSbとは異なる熱電特性
を示すものと考えられる。
As described above, in PtGdBi, Pt, G
The d and Bi atoms eliminate the insufficient electron filling state of the s-orbital, p-orbital and d-orbital in the ground state electron configuration, and an energetically stable crystal structure having a narrow band gap is created. Therefore, it is considered that PtMnSb and PdMnSb having the same crystal structure exhibit different thermoelectric characteristics.

【0045】すなわち、PtMnSbでは、Mnは[A
r]3d5 4s2 なる電子配置を有し、Ptは[Xe]
4f145d9 6s1 なる電子配置を有し、Sbは[K
r]4d105s2 5p3 なる電子配置を有しており、P
tGdBiで考察したと同様な各原子間の電子移動に基
づき、個々の原子の不十分な電子充填状態を解消させる
ような電子配置の構成を考えることはできない。
That is, in PtMnSb, Mn is [A
r] 3d 5 4s 2 and Pt is [Xe]
4f 14 5d 9 6s 1 comprising an electron arrangement, Sb is [K
r] 4d 10 5s 2 5p 3 , and P
It is impossible to consider a configuration of an electron configuration that eliminates the insufficient electron filling state of each atom based on the electron transfer between atoms as discussed in tGdBi.

【0046】また、PdMnSbでは、Pdは[Kr]
4d10なる電子配置を有し、Ptは[Xe]4f145d
9 6s1 なる電子配置を有し、Sbは[Kr]4d10
25p3 なる電子配置を有しているため、PtMnS
bで考察したと同様に、PtGdBiと同様な各原子間
の電子移動に基づく構成原子の不十分な電子充填状態を
解消させるような電子配置の構成を考えることはできな
い。
In PdMnSb, Pd is [Kr]
Has 4d 10 becomes electron configuration, Pt is [Xe] 4f 14 5d
It has an electron configuration of 96 s 1 , and Sb is [Kr] 4d 10 5
s 2 5p 3, so that PtMnS
As discussed in b, it is impossible to consider a configuration of an electron arrangement that eliminates the insufficient electron filling state of the constituent atoms based on the electron transfer between atoms as in PtGdBi.

【0047】かかるPtMnSb、PdMnSbの電子
配置のPtGdBiとの相違が、熱電特性の発現の差異
につながっていると考えられる。かかる考察から、電子
軌道の不十分な電子充填状態を解消して、中性原子を構
成する中性原子構成原子と、電子軌道における不十分な
電子充填状態を解消して、陽イオンを構成する陽イオン
構成原子と、電子軌道における不十分な電子充填状態を
解消して、陰イオンを構成する陰イオン構成原子とを、
前記陽イオン構成原子と前記陰イオン構成原子とに基づ
く電荷バランスを平衡するように含有させることが、新
規なホイスラー型化合物を構成する熱電変換材料の原子
構成の基準となり得るものと考えられ本発明となしたも
のである。
It is considered that the difference in the electron configuration between PtMnSb and PdMnSb from PtGdBi leads to the difference in the expression of thermoelectric properties. From such considerations, it is possible to eliminate the insufficiently electron-filled state of the electron orbital, and to eliminate the neutral atom constituting atoms constituting the neutral atom and the insufficiently electron-filled state in the electron orbital to constitute the cation. A cation constituent atom and an anion constituent atom constituting an anion by eliminating an insufficient electron filling state in an electron orbit,
It is considered that the inclusion of the cation-constituting atoms and the anion-constituting atoms so as to balance the charge balance based on the anion-constituting atoms can serve as a standard of the atomic configuration of the thermoelectric conversion material constituting the novel Heusler-type compound, and the present invention It is a thing.

【0048】すなわち、本発明者らはPtGdBiの熱
電特性と、結晶構造における原子配置、構成原子の電子
構造とを、初めて詳細に検討することにより、電子構造
的見地からのホイスラー型化合物の構成原子の組合せ方
法を見出し初めて提案するものである。
That is, the present inventors first examined in detail the thermoelectric properties of PtGdBi, the atomic arrangement in the crystal structure, and the electronic structure of the constituent atoms, and found that the constituent atoms of the Heusler-type compound from an electronic structural point of view. It is the first to propose a combination method of.

【0049】かかる構成を有するホイスラー型化合物と
しては、既知のPtGdBi以外に、表1に示すような
種々の系の組合せが考えられる。
As the Heusler-type compound having such a structure, various combinations of various systems as shown in Table 1 can be considered in addition to the known PtGdBi.

【0050】ここで、表中A原子は上記中性原子を構成
する中性原子構成原子であり、PtGdBiを構成する
Ptに相当し、B原子は上記陽イオンを構成する陽イオ
ン構成原子であり、PtGdBiを構成するGdに相当
し、C原子は上記陰イオンを構成する陰イオン構成原子
であり、PtGdBiを構成するBiに相当する。
Here, A atom in the table is a neutral atom constituting the above-mentioned neutral atom, and corresponds to Pt constituting PtGdBi, and B atom is a cation constituting atom constituting the above-mentioned cation. , PtGdBi, and C atom are the anion constituent atoms of the anion, and correspond to Bi of PtGdBi.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】本発明は前記の形態に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更することが
できる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof.

【0053】例えば、PtGdBiまたは表1に示した
種々の系の組合せからなるホイスラー型化合物に、0.
1〜50原子%(atom%)程度の不純物をドーピング
(doping)して、不純物を結晶格子内に挿入した
り、あるいは構成原子の一部を置換したりすることも可
能である。
For example, for Heusler-type compounds consisting of PtGdBi or a combination of various systems shown in Table 1, 0.
It is also possible to dope an impurity of about 1 to 50 atom% (atom%) to insert the impurity into the crystal lattice or to replace a part of the constituent atoms.

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明によれば、熱電変換材料としての
ホイスラー型化合物の構成原子の組合を、電子構造など
に基づき予測することができる。そのため、ホイスラー
型化合物を構成する新規な熱電変換材料の効率的な開発
が行える。
According to the present invention, a combination of constituent atoms of a Heusler-type compound as a thermoelectric conversion material can be predicted based on an electronic structure and the like. Therefore, a novel thermoelectric conversion material constituting the Heusler-type compound can be efficiently developed.

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

【図1】PtGdBiの電気伝導度の温度依存性を示す
グラフ図である。
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity of PtGdBi.

【図2】PtGdBiのゼーベック係数の温度依存性を
示すグラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of PtGdBi.

【図3】PtGdBiの結晶構造を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing a crystal structure of PtGdBi.

【図4】PtGdBiにおけるGd−Bi間の電子遷移
の様子を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state of electronic transition between Gd and Bi in PtGdBi.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子軌道における不十分な電子充填状態
を解消して、中性原子を構成する中性原子構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陽
イオンを構成する陽イオン構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陰
イオンを構成する陰イオン構成原子とを、 前記陽イオン構成原子と前記陰イオン構成原子とに基づ
く電荷バランスが平衡するように組合せて、ホイスラー
型化合物を構成することを特徴とする熱電変換材料構成
原子の組合せ方法。
1. A method for forming a neutral atom constituting a neutral atom by eliminating an insufficient electron filling state in an electron orbit, and forming a cation by eliminating an insufficient electron filling state in an electron orbit. A cation constituent atom, and an insufficient electron filling state in an electron orbit, and an anion constituent atom forming an anion, and a charge balance based on the cation constituent atom and the anion constituent atom. A method for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials, wherein the compounds are combined so as to equilibrate to form a Heusler-type compound.
【請求項2】 電子軌道における不十分な電子充填状態
を解消して、中性原子を構成する中性原子構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陽
イオンを構成する陽イオン構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陰
イオンを構成する陰イオン構成原子とを、 前記陽イオン構成原子と前記陰イオン構成原子とに基づ
く電荷バランスが平衡するように組合せてホイスラー型
化合物を構成し、 前記中性原子構成原子がNi、前記陽イオン構成原子が
Ti、ZrまたはHf、前記陰イオン構成原子がSi、
Ge、SnまたはPdであることを特徴とする熱電変換
材料構成原子の組合せ方法。
2. A neutral atom constituting a neutral atom by eliminating an insufficient electron filling state in an electron orbit, and a cation forming by eliminating an insufficient electron filling state in an electron orbit. A cation constituent atom, and an insufficient electron filling state in an electron orbit, and an anion constituent atom forming an anion, and a charge balance based on the cation constituent atom and the anion constituent atom. Forming a Heusler-type compound by combining them so as to equilibrate, wherein the neutral atom constituting atom is Ni, the cation constituting atom is Ti, Zr or Hf, the anion constituting atom is Si,
A method for combining atoms constituting thermoelectric conversion material, which is Ge, Sn or Pd.
【請求項3】 電子軌道における不十分な電子充填状態
を解消して、中性原子を構成する中性原子構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陽
イオンを構成する陽イオン構成原子と、 電子軌道における不十分な電子充填状態を解消して、陰
イオンを構成する陰イオン構成原子とを、 前記陽イオン構成原子と前記陰イオン構成原子とに基づ
く電荷バランスが平衡するように組合せてホイスラー型
化合物を構成し、 前記中性原子構成原子がPt、前記陽イオン構成原子が
Gd、Tb、Lu、Pa、UまたはCmであり、前記陰
イオン構成原子がP、As、SbまたはBiであること
を特徴とする熱電変換材料構成原子の組合せ方法。
3. Insufficient electron filling state in the electron orbital is eliminated to form a neutral atom constituting a neutral atom, and cation is constituted by eliminating insufficient electron filling state in the electron orbital. A cation constituent atom, and an insufficient electron filling state in an electron orbit, and an anion constituent atom forming an anion, and a charge balance based on the cation constituent atom and the anion constituent atom. A Heusler-type compound is constituted by combining them so as to equilibrate, wherein the neutral atom constituting atom is Pt, the cation constituting atom is Gd, Tb, Lu, Pa, U or Cm, and the anion constituting atom is P, A method for combining atoms constituting thermoelectric conversion material, which is As, Sb or Bi.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 前記ホイスラー型化合物には、0.1〜50原子%の不
純物がドーピングされていることを特徴とする熱電変換
材料構成原子の組合せ方法。
4. The method for assembling thermoelectric conversion material atoms according to claim 1, wherein the Heusler-type compound is doped with an impurity of 0.1 to 50 atomic%. A method for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 不十分な電子充填状態を解消して中性原子を構成するに
際しては、前記中性原子構成原子の前記陽イオン構成原
子からの電子の受領と、前記中性原子構成原子からの前
記陰イオン構成原子への電子の供与とにより行われると
見なされることを特徴とする熱電変換材料構成原子の組
合せ方法。
5. The method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein neutral atoms are formed by eliminating an insufficiently charged state of electrons to form neutral atoms. Thermoelectric conversion material composition characterized in that it is considered to be performed by receiving electrons from the cation constituent atoms of the atomic constituent atoms and donating electrons from the neutral atom constituent atoms to the anion constituent atoms. How to combine atoms.
【請求項6】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 不十分な電子充填状態を解消して陽イオンを構成するに
際しては、前記陽イオン構成原子からの前記中性原子構
成原子への電子の供与と、前記陽イオン構成原子からの
前記陰イオン構成原子への電子の供与とにより行われる
と見なされることを特徴とする熱電変換材料構成原子の
組合せ方法。
6. The method for combining atoms constituting thermoelectric conversion materials according to any one of claims 1 to 4, wherein a cation is formed by eliminating an insufficiently charged state of electrons to form a cation. A thermoelectric conversion material constituent atom, which is considered to be performed by donating an electron from an atom to the neutral atom, and donating an electron from the cation to the anion. Combination method.
【請求項7】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 不十分な電子充填状態を解消して陰イオンを構成するに
際しては、前記陰イオン構成原子の前記中性原子構成原
子からの電子の受領と、前記陰イオン構成原子の前記陽
イオン構成原子からの電子の受領とにより行われると見
なされることを特徴とする熱電変換材料構成原子の組合
せ方法。
7. The method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein when an anion is formed by eliminating an insufficiently charged state of the electrons, the anion is formed. A combination of atoms constituting the thermoelectric conversion material, which is considered to be performed by receiving electrons from the above-mentioned neutral atom constituting atoms and receiving electrons from the above-mentioned cation constituting atoms of the anion constituting atoms. Method.
【請求項8】 請求項5〜7のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 電子の受領および供与には、同一主量子数の電子軌道間
の電子移動が関与していると見なされることを特徴とす
る熱電変換材料構成原子の組合せ方法。
8. A method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material according to any one of claims 5 to 7, wherein electron transfer between electron orbitals having the same main quantum number is involved in receiving and donating electrons. A method for combining atoms constituting thermoelectric conversion material, characterized in that the atoms are considered to be in a state.
【請求項9】 請求項5〜7のいずれか1項に記載の熱
電変換材料構成原子の組合せ方法において、 電子の受領、および/または供与には、異なる主量子数
の電子軌道間の電子移動が関与していると見なされるこ
とを特徴とする熱電変換材料構成原子の組合せ方法。
9. The method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material according to claim 5, wherein the electron transfer between electron orbitals having different principal quantum numbers is performed for receiving and / or donating electrons. A method for combining atoms constituting a thermoelectric conversion material, wherein
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