JP2002076450A - Method for manufacturing thermoelectric material - Google Patents

Method for manufacturing thermoelectric material

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JP2002076450A
JP2002076450A JP2000255987A JP2000255987A JP2002076450A JP 2002076450 A JP2002076450 A JP 2002076450A JP 2000255987 A JP2000255987 A JP 2000255987A JP 2000255987 A JP2000255987 A JP 2000255987A JP 2002076450 A JP2002076450 A JP 2002076450A
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phase
heat treatment
powder
temperature
vacuum
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Yasushi Oikawa
靖 及川
Hajime Ozaki
肇 尾崎
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Waseda University
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Waseda University
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for simply manufacturing a thermoelectric material made of a pure β phase at a lower temperature than that in prior are within a shorter time. SOLUTION: The method for manufacturing a thermoelectric material comprises a step of mixing Fe powder with a single element of Si at an element ratio of 1:2. The method also comprises steps of pressure molding the mixed powder to a molding 2, sealing the molding 2 in a vacuum in a quartz tube 1, and then heat-treating the molding 2. In the heat-treating step, the tube 1 is heated to 875 to 1,025 deg.C near the molding 2. It is preferred to set the temperature to 450 deg.C or higher except the vicinity of the molding 2.

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】本発明は熱電材料として有用
なSi系熱電材料の製造方法に関し、特にβ−FeSi
2系熱電材料の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a Si-based thermoelectric material useful as a thermoelectric material.
The present invention relates to a method for producing a thermoelectric material.

【0002】[0002]

【発明が解決しようとする課題】熱電変換材料を用いた
熱電発電(熱電気発電)は、ゼーベック効果すなわち相
異なる二種の金属やp型半導体とn型半導体等の相異な
る熱電特性を有する材料を熱的に並列に置き、電気的に
直列に接続して接合部間に温度差を与えると、両端に熱
起電力が発生する熱電効果を利用して、熱エネルギーを
直接電力に変換する技術であり、その熱電変換部に機械
的な可動要素を持たないので振動や騒音を発生せずエネ
ルギー損失がなく、さらに廃棄物を発生させないため環
境負荷も少ないなどの理由により、これら熱電特性を有
する材料(以下、熱電材料という)の開発が多方面で進
められている。
The thermoelectric power generation (thermoelectric power generation) using the thermoelectric conversion material is based on the Seebeck effect, that is, a material having different thermoelectric characteristics such as two different metals or a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. A technology that converts thermal energy directly into electric power by using the thermoelectric effect of generating a thermoelectromotive force at both ends when a temperature difference is applied between the joints by placing the thermal energy in parallel and connecting them electrically in series. It has these thermoelectric characteristics because it has no mechanical movable elements in its thermoelectric conversion part, so it does not generate vibration or noise, there is no energy loss, and it does not generate waste, and it has a small environmental load. Materials (hereinafter referred to as thermoelectric materials) are being developed in various fields.

【0003】なかでもFeSi2、CrSi2、MnSi
2-xなどのSi系焼結体は、高温特性が良好であること
から種々研究されており、特にβ−FeSi2系熱電材
料は、耐酸化性にも優れ、原料である鉄及び珪素は豊富
かつ安価な材料であり、さらに環境に対する悪影響が少
ないことから、環境共生型材料として実用可能性に富ん
でいる。
[0003] Among them, FeSi 2 , CrSi 2 , MnSi
Various researches have been conducted on Si-based sintered bodies such as 2-x because of their good high-temperature characteristics.In particular, β-FeSi 2 -based thermoelectric materials have excellent oxidation resistance, and iron and silicon as raw materials are The material is abundant and inexpensive, and has little adverse effect on the environment.

【0004】従来、このようなβ−FeSi2などの焼
結体の作製は、例えば、Fe及びSiの単体を出発原料
として、Feに対するSiの元素比を1:2(好ましく
は1:2.1程度)として混合し、高周波溶融炉などで
1900K程度の高温で熱処理して真空溶解した後固化
させ、これを粉砕してこの粉砕粒をβ相の純度を向上さ
せるとともに結晶性を向上させることを目的して約14
00Kで焼結し、一度高温相であるα相(Fe2Si5
を形成した後にβ相への変態温度である1050K程度
で相変態を目的とした熱処理を行っていた。
Conventionally, such a sintered body of β-FeSi 2 or the like has been produced by, for example, using a simple substance of Fe and Si as a starting material and an element ratio of Si to Fe of 1: 2 (preferably 1: 2. 1) and heat-treated in a high-frequency melting furnace at a high temperature of about 1900K, melted in a vacuum, solidified, and then pulverized to improve the purity of the pulverized particles and the crystallinity. About 14
Sintered at 00K, once α phase (Fe 2 Si 5 ) which is a high temperature phase
Was formed, a heat treatment for the purpose of phase transformation was performed at about 1050 K, which is the transformation temperature to the β phase.

【0005】しかしながら、この方法は、α相からβ相
への相変態を目的とした熱処理に100時間程度の時間
を必要とするため製造効率が良好でなく、相変態の過程
でα相、β相の他にε相(FeSi)も形成されるが、
特に、ε相を囲むようにβ相が生成される包析反応にお
いては、長時間熱処理を施さなければε相が残存するた
め純粋なβ相を生成するのが困難となるという問題点が
ある。さらに、1900Kで原料粉末を溶融して固化・
粉砕して粉砕粒とし、この粉砕粒を1400Kで焼結す
るなど非常に高温条件下で処理を行う必要があるので、
これに付随する設備投資が増加するという問題点があ
る。
However, this method requires about 100 hours for the heat treatment for the phase transformation from the α phase to the β phase, so that the production efficiency is not good, and the α phase, β phase Although an ε phase (FeSi) is also formed in addition to the phase,
In particular, in the deposition reaction in which a β phase is generated so as to surround the ε phase, there is a problem that it is difficult to generate a pure β phase because the ε phase remains unless heat treatment is performed for a long time. . Further, the raw material powder is melted and solidified at 1900K.
Since it is necessary to perform processing under very high temperature conditions, such as crushing into crushed particles and sintering the crushed particles at 1400K,
There is a problem that the accompanying capital investment increases.

【0006】そこで、このようなα相からβ相への相変
態に必要な熱処理時間を短縮することを目的として、特
開平8−274380号公報には、鉄に対するSiの量
を元素比よりも大きくすることによりε相の生成を抑制
するとともに微量の銅(Cu)を添加することで相変態
を促進させるβ−FeSi2系電熱材料の製造方法が開
示されている。この公報には約3時間の熱処理でα相を
β相に変態できる旨記載されている。しかしながら、こ
の方法ではCuを添加しているため、純粋なβ−FeS
2を作製することができず、また、Siを過剰量配合
しているため相変態を目的とした熱処理後はSiが残存
しやすく、結果として純粋なβ相からなる材料が得られ
ないという問題点があった。
For the purpose of shortening the heat treatment time required for the phase transformation from the α phase to the β phase, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-274380 discloses that the amount of Si to iron is smaller than the element ratio. A method for producing a β-FeSi 2 -based electrothermal material that suppresses generation of the ε phase by increasing the size and promotes phase transformation by adding a small amount of copper (Cu) is disclosed. This publication describes that the α phase can be transformed into the β phase by heat treatment for about 3 hours. However, since Cu is added in this method, pure β-FeS
It is not possible to produce i 2, and since Si is added in an excessive amount, Si tends to remain after heat treatment for the purpose of phase transformation, and as a result, a material consisting of pure β phase cannot be obtained. There was a problem.

【0007】さらに、最近では、熱処理時間の短時間化
と熱処理温度の低温化を目的として、メカニカルアロイ
ング法(MA法)により出発原料を微粒子化したり、放
電プラズマ焼結法(SPS法)により短時間で混合した
出発原料粉末を焼結することが検討されているが、MA
法では、出発原料を微粒子化するために、密閉容器内に
原料とボール状のアルミナなどの粉砕用材料を入れて原
料を粉砕し微粒子化しているので、長時間粉砕を行うと
密閉容器の内壁を構成する材料や粉砕用材料が原料粉末
に混入し、原料粉末の純度が低下するという問題点があ
る。また、SPS法は、真空中で混合した出発原料粉末
を放電処理して焼結するため、真空中での加圧装置や放
電用の電源などの高価な付帯設備が必要であり、実用的
でないという問題点がある。
Further, recently, for the purpose of shortening the heat treatment time and lowering the heat treatment temperature, the starting material is made into fine particles by a mechanical alloying method (MA method), or by a discharge plasma sintering method (SPS method). Sintering of the starting material powder mixed in a short time has been considered.
In the method, in order to make the starting material into fine particles, the raw material and a material for grinding such as alumina are put in a closed container and the raw material is crushed into fine particles. However, there is a problem that the material and the material for pulverization are mixed into the raw material powder, and the purity of the raw material powder is reduced. In addition, since the SPS method discharge-processes and sinters the starting material powder mixed in a vacuum, it requires expensive auxiliary equipment such as a pressurizing device and a power supply for a discharge in a vacuum, which is not practical. There is a problem.

【0008】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、従来よりも低温かつ短時間で簡便に純粋なβ相
からなる熱電材料を製造する方法を提供することを目的
とする。特に本発明は、原料単体粉末の純度を反映した
高純度のβ相からなる熱電材料を製造する方法を提供す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a method for easily and simply producing a pure β-phase thermoelectric material at a lower temperature and in a shorter time. In particular, an object of the present invention is to provide a method for producing a thermoelectric material composed of a high-purity β phase that reflects the purity of a raw material powder.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、Siの単体粉末と熱電特性を発
揮する化合物を形成するFe、Co、Ni、Cr、T
i、Cu、Mn、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、
W、MoあるいはZrの金属の単体粉末とを所望とする
珪素化合物の元素構成と同じ元素比で混合してこの混合
粉末を加圧成形し、得られた成形体を石英管などの高融
点材料からなる封入容器に入れて必要に応じて真空排気
しながら熱処理した後真空封入するか、あるいは不活性
ガス雰囲気下で封入し、その後この封入容器を熱電特性
を発揮する所望とする珪素化合物の形成温度で熱処理す
れば、まず初期段階においては所望とする珪素化合物よ
りも低温で生成される珪素化合物(以下、低温生成珪素
化合物という)が生成され続いて所望とする珪素化合物
が生成されるので、この結果、低温生成珪素化合物と所
望とする珪素化合物と残存Siとからなる組成を有する
成形体が形成されることになる。この成形体にさらに熱
処理を継続することにより、短時間で低温生成珪素化合
物が残存Siと反応して所望とする珪素化合物に変態
し、高純度な所望とする珪素化合物からなる珪素金属化
合物を従来よりも短時間で製造することができることを
見出した。特に、FeとSiの場合には、FeとSiの
単体元素の粉末を1:2の元素比で混合して成形体とし
て封入容器に封入し、この封入容器を成形体の近傍で8
75〜1025℃とする一方、成形体の近傍以外では4
50℃以上として熱処理すればβ相が良好に形成され、
約20時間熱処理を継続することによりε相をSiと反
応させてβ相を生成することができ、高純度のβ−Fe
Si2を製造することができることを見出した。これら
に基づき本発明に相当した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies in view of the above object, the present inventors have found that Fe, Co, Ni, Cr, T, which form a compound exhibiting thermoelectric properties with a simple powder of Si.
i, Cu, Mn, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta,
A simple powder of a metal such as W, Mo or Zr is mixed at the same element ratio as the desired elemental composition of the silicon compound, and the mixed powder is molded under pressure. If necessary, heat-treat while evacuating and then encapsulating in a vacuum, or encapsulating under an inert gas atmosphere, and then forming the desired silicon compound exhibiting thermoelectric properties. If heat treatment is performed at a temperature, first, a silicon compound generated at a lower temperature than the desired silicon compound (hereinafter referred to as a low-temperature generated silicon compound) is generated in the initial stage, and then the desired silicon compound is generated. As a result, a compact having a composition composed of the low-temperature-generated silicon compound, the desired silicon compound, and the remaining Si is formed. By continuing the heat treatment on the compact, the silicon compound formed at a low temperature reacts with the remaining Si in a short time to be transformed into the desired silicon compound. It has been found that it can be manufactured in a shorter time than that. In particular, in the case of Fe and Si, powders of the elemental elements of Fe and Si are mixed at an element ratio of 1: 2 and sealed as a compact in a sealed container.
75 to 1025 ° C;
If heat treatment is performed at 50 ° C. or more, the β phase is formed well,
By continuing the heat treatment for about 20 hours, the β phase can be generated by reacting the ε phase with Si, and the high purity β-Fe
It has been found that Si 2 can be produced. Based on these, it corresponded to the present invention.

【0010】本発明の請求項1記載の熱電材料の製造方
法は、Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、Mn、A
l、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又はZrか
ら選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単体元素の
粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混合粉末を
高融点材料からなる封入容器に真空状態あるいは不活性
ガス雰囲気下で封入する工程と、これに続く熱処理工程
とを有する方法である。
The method for producing a thermoelectric material according to claim 1 of the present invention is characterized in that Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu, Mn, A
a step of mixing a powder of one or more metals selected from l, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr and a simple elemental powder of Si at a predetermined element ratio, and the mixed powder Is sealed in a sealing container made of a high melting point material in a vacuum state or an inert gas atmosphere, and a heat treatment step subsequent thereto.

【0011】また、本発明の請求項2記載の熱電材料の
製造方法は、Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、M
n、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又は
Zrから選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単体
元素の粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混合
粉末を高融点材料からなる封入容器に入れて真空排気し
ながら熱処理する工程と、引き続いて真空状態あるいは
不活性ガス雰囲気下で封入する工程と、さらに熱処理工
程とを有する方法である。
Further, the method for producing a thermoelectric material according to claim 2 of the present invention is characterized in that Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu, M
mixing a powder of one or more metals selected from n, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr and a simple element powder of Si at a predetermined element ratio; This is a method that includes a step of placing the mixed powder in a sealed container made of a high melting point material and performing a heat treatment while evacuating the vacuum, a step of subsequently filling the mixed powder in a vacuum state or an inert gas atmosphere, and a heat treatment step.

【0012】請求項3記載の熱電材料の製造方法は、前
記請求項1又は2において、前記金属がFeであり、F
eとSiの単体元素の粉末を1:2の元素比で混合する
方法である。
According to a third aspect of the present invention, in the method for producing a thermoelectric material according to the first or second aspect, the metal is Fe,
This is a method in which powders of e and Si simple elements are mixed at an element ratio of 1: 2.

【0013】請求項4記載の熱電材料の製造方法は、前
記請求項3において、前記混合粉末を前記真空状態ある
いは不活性ガス雰囲気下で封入する工程の後の熱処理工
程において、前記封入容器の温度を前記成形体の近傍で
875〜1025℃とする方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for producing a thermoelectric material according to the third aspect, the heat treatment step after the step of enclosing the mixed powder in the vacuum state or under an inert gas atmosphere includes the step of: Is set to 875 to 1025 ° C. in the vicinity of the molded body.

【0014】さらに、請求項5記載の熱電材料の製造方
法は、前記請求項3又は4において、前記混合粉末を前
記真空状態あるいは不活性ガス雰囲気下で封入する工程
の後の熱処理工程において、前記封入容器の温度を前記
成形体の近傍以外では450℃以上とする方法である。
Further, in the method for producing a thermoelectric material according to claim 5, the heat treatment step after the step of encapsulating the mixed powder in the vacuum state or under an inert gas atmosphere according to claim 3 or 4, comprises: In this method, the temperature of the enclosure is set to 450 ° C. or higher except for the vicinity of the molded body.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明は、珪素と熱電特性を発揮
する化合物を形成するFe、Co、Ni、Cr、Ti、
Cu、Mn、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、
MoあるいはZrに広く適用可能であるが、これらの金
属珪素化合物の中ではβ−FeSi2がもっとも実用性
等の点で優れているので、以下Feの場合を例に説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to Fe, Co, Ni, Cr, Ti, which forms a compound exhibiting thermoelectric properties with silicon.
Cu, Mn, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W,
Although it can be widely applied to Mo or Zr, β-FeSi 2 is the most practical among these metal silicon compounds in terms of practicality and the like. Therefore, the case of Fe will be described below as an example.

【0016】まず、熱電材料を製造する本発明の第1実
施例の方法について説明する。図1は、第1実施例の製
造工程を示すフローチャートであり、はじめにFeとS
iの単体粉末をモル比(元素比)が実質的Fe:Si=
1:2となるように計量する。この時、単体粉末の粒径
が小さい方が反応性、特に後述する加圧成形を行った場
合の反応性が向上するため、その粒径は通常市販されて
いる125μm以下でFeとSiとは同程度の粒径であ
るのが好ましく、Feの粒径がSiの粒径に比して大幅
に小さくなるのは忌避するのがよい。また、使用するF
eとSiの粉末の純度は、得られるβ相の純度に反映さ
れるため高い方が好ましいが、熱処理後の粉体の純度を
考慮しない場合には98%以下程度でもよい。
First, a method of manufacturing a thermoelectric material according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a flowchart showing the manufacturing process of the first embodiment.
i is a simple powder having a molar ratio (element ratio) of substantially Fe: Si =
Weigh to 1: 2. At this time, the smaller the particle size of the single powder is, the more the reactivity is improved, especially when the pressure molding described below is performed. Therefore, the particle size is usually 125 μm or less and Fe and Si are It is preferable that the particle diameters are substantially the same, and it is better to avoid that the particle diameter of Fe is much smaller than the particle diameter of Si. Also, use F
The purity of the e and Si powders is preferably higher because it is reflected in the purity of the obtained β phase, but may be about 98% or less when the purity of the powder after heat treatment is not considered.

【0017】そして、FeとSiの粉末を混合する。こ
の混合は、原料粉末の純度を維持するために、例えばメ
ノウなどのFe及びSiよりも硬質の材料で構成された
乳鉢などの容器に計量したFeとSiの粉末を入れて攪
拌棒で混合することにより行えばよい。この際、攪拌棒
もFe及びSiよりも硬質の材料製であることが望まし
い。この混合は、原料粉末を均一に混合することを主目
的とするものであり、微粒子化するためのものではない
ので手動で15分間程度行えばよい。
Then, powders of Fe and Si are mixed. In this mixing, in order to maintain the purity of the raw material powder, for example, the measured Fe and Si powders are put into a container such as a mortar made of a material harder than Fe and Si such as agate, and mixed with a stirring rod. It may be done by doing. At this time, it is desirable that the stirring bar is also made of a material harder than Fe and Si. The main purpose of this mixing is to uniformly mix the raw material powders, and it is not for the purpose of forming fine particles, so that the mixing may be performed manually for about 15 minutes.

【0018】続いて、この混合粉末を室温で加圧成形す
る。加圧成形の際の圧力は500kg/cm2程度であ
ればよい。なお、加圧成形は、真空封入等のその後の工
程における取り扱いを容易にするためのものであり、ま
た、結晶粒の接触面積を増大させることにより反応性の
向上も期待できるが、加圧成形して成形体としなくても
適切な熱処理条件で熱処理を行うことによりβ相生成反
応は進行するので、この加圧成形工程は必須要件ではな
い。
Subsequently, the mixed powder is pressed at room temperature. The pressure during the pressure molding may be about 500 kg / cm 2 . Pressure molding is intended to facilitate handling in subsequent steps such as vacuum encapsulation, and it is expected that reactivity can be improved by increasing the contact area of crystal grains. Since the β-phase generation reaction proceeds by performing heat treatment under appropriate heat treatment conditions without forming a molded body, the pressure molding step is not an essential requirement.

【0019】次に、高融点材料からなる封入容器内に成
形体を挿入する。具体的には高融点材料からなる封入容
器として、図2に示すように主成分が石英で構成された
管材の片側を酸素と水素の混合ガスなどを使用したバー
ナなどで石英を溶かすことにより封じた管(以下、単に
石英管という)1を使用し、この石英管1内に成形体2
を挿入する。このとき、石英管1はあらかじめ管内に付
着した有機物や金属を除去するために有機溶媒や酸など
を使用して洗浄しておくことが望ましい。続いて、石英
管1内の空気を開管側1Aから真空排気装置(図示せ
ず)により排気しながら、バーナなどを使用して石英管
1の開管側1Aを溶かして封じる。このようにして図3
に示すように石英管1に成形体2を真空封入することが
できる。この際の真空排気装置としては、石英管1内を
完全に真空とするものである必要はなく、例えばロータ
リーポンプなど3×10-2Torr程度の到達真空度を
実現できるものであればよい。また、石英管1を封じる
方法としては、石英が軟らかくなる温度まで加熱し溶接
して石英管1をねじ切る方法などでよい。なお、本実施
例においては、成形体2を真空封入する封入容器として
石英管1を用いたが、後述する熱処理工程における熱処
理温度でFe、Si及びシリサイド相と反応しない高融
点材料であれば、石英以外の他の材料製のものを用いる
こともできる。
Next, the molded body is inserted into an enclosure made of a high melting point material. Specifically, as an enclosure made of a high melting point material, as shown in FIG. 2, one side of a tube material mainly composed of quartz is sealed by melting quartz with a burner using a mixed gas of oxygen and hydrogen. A tube (hereinafter simply referred to as a quartz tube) 1 is used.
Insert At this time, it is desirable that the quartz tube 1 be previously cleaned using an organic solvent, an acid, or the like in order to remove organic substances and metals attached to the inside of the tube. Subsequently, while the air in the quartz tube 1 is exhausted from the open tube side 1A by a vacuum exhaust device (not shown), the open tube side 1A of the quartz tube 1 is melted and sealed using a burner or the like. Thus, FIG.
As shown in the figure, the compact 2 can be vacuum-sealed in the quartz tube 1. In this case, the vacuum exhaust device does not need to completely exhaust the inside of the quartz tube 1 but may be any device that can achieve a final vacuum degree of about 3 × 10 −2 Torr such as a rotary pump. As a method for sealing the quartz tube 1, a method of heating the quartz tube to a temperature at which the quartz tube becomes soft, welding it, and threading the quartz tube 1 may be used. In this example, the quartz tube 1 was used as an enclosure for enclosing the compact 2 in a vacuum. However, any high-melting-point material that does not react with Fe, Si, and the silicide phase at a heat treatment temperature in a heat treatment step described later may be used. Those made of materials other than quartz can also be used.

【0020】そして、成形体2を封じた石英管1を管状
電気炉などの加熱炉に設置し加熱する(熱処理工程)。
この際、成形体2を封じた石英管1は、図3に示すよう
に成形体2の近傍の領域(a)とそれ以外の領域(b)
とに分けて加熱条件を設定する。具体的には、領域
(a)の温度は875〜1025℃、好ましくは900
〜950℃に設定する。領域(a)の温度が875℃未
満では、FeとSiとの結晶粒間の表面拡散が進行せ
ず、その結果としてβ−FeSi2(以下、単にβ相と
いう場合あり)の生成反応の速度が遅くなるか、もしく
はβ相の生成に必要な活性化エネルギーが得られず、β
相生成反応が進行しない一方、1025℃を超えると、
高温相であるα−Fe2Si5(以下、単にα相という場
合あり)が生成されてしまう。また、領域(b)の温度
は450℃以上になるようにするのが好ましい。領域
(b)の温度が450℃未満では、成形体2自身の反応
性が低下する。この熱処理により初期段階においては、
成形体2を構成する結晶粒は、残存Siとε−FeSi
(以下、単にε相という場合あり)及びβ相となる。
Then, the quartz tube 1 enclosing the compact 2 is placed in a heating furnace such as a tubular electric furnace and heated (heat treatment step).
At this time, the quartz tube 1 enclosing the molded body 2 has a region (a) near the molded body 2 and another region (b) as shown in FIG.
And the heating conditions are set separately. Specifically, the temperature of the region (a) is 875 to 1025 ° C., preferably 900 ° C.
Set to ~ 950 ° C. When the temperature of the region (a) is lower than 875 ° C., the surface diffusion between the crystal grains of Fe and Si does not progress, and as a result, the rate of the reaction of generating β-FeSi 2 (hereinafter sometimes simply referred to as β phase) Or the activation energy required for the formation of the β phase is not obtained, and β
While the phase formation reaction does not proceed, if it exceeds 1025 ° C.,
Α-Fe 2 Si 5 as a high-temperature phase (hereinafter, sometimes simply referred to as α-phase) is generated. Further, the temperature of the region (b) is preferably set to 450 ° C. or higher. When the temperature in the region (b) is lower than 450 ° C., the reactivity of the molded body 2 itself decreases. By this heat treatment, in the initial stage,
The crystal grains constituting the compact 2 are composed of residual Si and ε-FeSi
(Hereinafter sometimes simply referred to as ε phase) and β phase.

【0021】そこで、上述したような熱処理時間を20
時間程度、条件によっては10時間程度維持することに
より、Siとε相とを反応させてβ相にすることがで
き、結果として純度の高いβ相とすることができる。こ
の際、熱処理時間が短いと、β相の生成過程の途中であ
るため、主に未反応のSiと反応初期に形成されるε相
とが残存し、β相の純度が低下してしまう。なお、この
熱処理は、連続して行うのが効率的であるが、Siとε
相及びβ相が形成された段階で一旦熱処理を停止し、そ
の後、熱処理を再開してε相をSiと反応させて全てβ
相としてもよい。また、熱処理後は常温まで冷却する
が、この冷却は放冷であって急冷であってもよい。
Therefore, the above-mentioned heat treatment time is set to 20 times.
By maintaining for about an hour, or about 10 hours depending on conditions, Si and the ε phase can be reacted to form a β phase, and as a result, a β phase with high purity can be obtained. At this time, if the heat treatment time is short, the unreacted Si and the ε phase formed in the initial stage of the reaction remain mainly because the β phase is being generated, and the purity of the β phase is reduced. It is efficient that this heat treatment is performed continuously,
Once the heat treatment is stopped at the stage when the phase and the β phase are formed, the heat treatment is restarted, and the
It may be a phase. After the heat treatment, the sample is cooled to room temperature. This cooling may be performed by standing cooling or rapid cooling.

【0022】上述したように本実施例においては、β相
が生成される以前にε相が少なからず生成され、このε
相はSiと反応することによりβ相となるが、β相はε
相を囲むように生成される(包析反応)ので、ε相の結
晶粒が大きい場合、純粋なβ相生成のためには長時間の
熱処理時間が必要となる。そこで、ε相の結晶粒の成長
を抑制して熱処理時間の短縮化を図るには、成形体2を
β相が生成される875〜1025℃の温度まで、短時
間で上昇させるのが効果的である。
As described above, in the present embodiment, the ε phase is generated before the β phase is generated, and this ε phase is generated.
The phase becomes β phase by reacting with Si, but β phase becomes ε
Since the ε phase is generated so as to surround the phase (encapsulation reaction), when the crystal grains of the ε phase are large, a long heat treatment time is required to generate a pure β phase. Therefore, in order to suppress the growth of the crystal grains of the ε phase and shorten the heat treatment time, it is effective to raise the compact 2 to a temperature of 875 to 1025 ° C. in which the β phase is generated in a short time. It is.

【0023】以上詳述したとおり、熱電材料を製造する
本発明の第1実施例の方法は、FeとSiの単体粉末を
混合し、この混合粉末を必要に応じて加圧成形し、続い
て得られた成形体2を高融点材料からなる封入容器であ
る石英管1内に真空封入して加熱処理するものであり、
真空封入下で熱処理することで反応性が向上し、従来の
ようにα相からの長時間の熱処理による相変態工程を行
うことなく、約20時間以下の短時間の熱処理で純粋な
β相の粉体を直接製造することができる。また、得られ
るβ相の粉体は、原料であるFe及びSiの純度を反映
したものであり、FeとSiとを1:2のモル比で配合
しているので残存Siもない。
As described in detail above, in the method of the first embodiment of the present invention for producing a thermoelectric material, a simple powder of Fe and Si is mixed, and the mixed powder is subjected to pressure molding if necessary. The obtained molded body 2 is vacuum-enclosed in a quartz tube 1 which is an enclosure made of a high melting point material, and is subjected to a heat treatment.
The reactivity is improved by heat treatment under vacuum encapsulation, and the pure β phase can be reduced by a short heat treatment of about 20 hours or less without performing the phase transformation step by a long heat treatment from the α phase as in the past. Powder can be manufactured directly. The obtained β-phase powder reflects the purity of the raw materials Fe and Si, and since Fe and Si are mixed at a molar ratio of 1: 2, there is no residual Si.

【0024】このような本発明の第1実施例の方法にお
いては、真空封入下で熱処理を行うことが重要である。
例えば、同じ875〜1025℃の処理温度でも真空排
気しながら熱処理した場合には、本実施例のように石英
管1に真空封入して熱処理した場合と異なりβ相は形成
されずSiもしくはε相が形成される。これは、以下の
ような理由によると考えられる。すなわち、真空封入し
た場合には閉管構造であるため、熱処理工程は真空排気
時より閉管(石英管)内の圧力が上昇する。また、Fe
の場合の熱処理温度である875〜1025℃では、F
eとSiの反応形態は固相反応が主であると考えられ
る。この固相反応では、結晶粒の接触面を介してまず表
面拡散が進行することにより反応が進行する。従って、
結晶粒の接触面積と反応性との間には相関関係がある。
ただし、本実施例における熱処理工程では、熱処理条件
の調整により加圧成形しない粉末でもβ相が主成分の粉
体を作製することができる。これらのことから真空封入
した場合、成形体の結晶粒の接触面がFeやSiの蒸気
により活性化し、結晶粒間の表面拡散が促進されて反応
が進行すると考えられる。従って、真空封入した場合に
は、成形体近傍のFeやSiの蒸気圧が増加することに
より反応性が向上するのに対し、真空排気条件下ではF
eやSiの蒸気圧が増加することはないため、同じ温度
条件でもβ相が形成されないと考えられる。また、領域
(b)の温度を450℃以上にしなければβ相が生成さ
れないことも、このFeやSiの蒸気圧との関係で説明
することができる。すなわち、閉管構造であっても石英
管1内に450℃未満の低温部がある場合には蒸気にな
ったFeやSiが低温部で凝集してしまい、これに伴い
成形体近傍のFeやSiの蒸気圧が低下し、これにより
真空排気下の熱処理工程と同様にFeとSiの結晶粒の
反応性が低下し、β相の生成が抑制されると考えられ
る。
In the method of the first embodiment of the present invention, it is important to perform a heat treatment under vacuum sealing.
For example, when heat treatment is performed while vacuum evacuation is performed even at the same processing temperature of 875 to 1025 ° C., unlike the case where the heat treatment is performed by vacuum sealing in the quartz tube 1 as in the present embodiment, no β phase is formed and no Si or ε phase is formed. Is formed. This is considered for the following reasons. That is, the pressure in the closed tube (quartz tube) increases in the heat treatment step from the time of evacuation in vacuum because the tube is closed when vacuum-sealed. Also, Fe
In the heat treatment temperature of 875 to 1025 ° C. in the case of
The reaction form of e and Si is considered to be mainly a solid phase reaction. In this solid-phase reaction, the reaction proceeds by firstly causing surface diffusion to proceed through the contact surface of the crystal grains. Therefore,
There is a correlation between the contact area of the crystal grains and the reactivity.
However, in the heat treatment step in this embodiment, a powder mainly composed of the β phase can be produced even if the powder is not press-formed by adjusting the heat treatment conditions. From these facts, it is considered that when vacuum sealing is performed, the contact surface of the crystal grains of the molded body is activated by the vapor of Fe or Si, the surface diffusion between the crystal grains is promoted, and the reaction proceeds. Therefore, when vacuum sealing is performed, the reactivity increases due to an increase in the vapor pressure of Fe or Si in the vicinity of the molded body, whereas F increases under vacuum evacuation conditions.
Since the vapor pressures of e and Si do not increase, it is considered that the β phase is not formed even under the same temperature condition. Further, the fact that the β phase is not generated unless the temperature of the region (b) is set to 450 ° C. or higher can also be explained in relation to the vapor pressure of Fe or Si. That is, even if the quartz tube 1 has a low-temperature portion lower than 450 ° C. even in the closed tube structure, the vaporized Fe or Si agglomerates in the low-temperature portion, and accordingly, the Fe or Si in the vicinity of the formed body is condensed. It is considered that the vapor pressure of Fe decreases as in the heat treatment step under vacuum evacuation, thereby reducing the reactivity of the crystal grains of Fe and Si, thereby suppressing the generation of β phase.

【0025】なお、前記実施例においては、閉管構造を
作製するために、石英管1内に成形体2を入れて、真空
排気下で酸素と水素の混合ガスなどのバーナなどにより
石英管を溶かして排気口を封じているが、成形体2の近
傍のFe及びSiの蒸気圧は、その他の気体の分圧に依
存しないので、成形体2を酸化させなければ減圧下で熱
処理する必要はない。従って、例えばアルゴンやヘリウ
ムなどの不活性ガスを充満させた閉管内で不活性ガス雰
囲気下で熱処理を行ってもよい。
In the above embodiment, in order to produce a closed tube structure, the compact 2 is placed in a quartz tube 1 and the quartz tube is melted by a burner such as a mixed gas of oxygen and hydrogen under vacuum evacuation. Although the exhaust port is closed, the vapor pressures of Fe and Si in the vicinity of the compact 2 do not depend on the partial pressures of other gases, so that it is not necessary to perform heat treatment under reduced pressure unless the compact 2 is oxidized. . Therefore, the heat treatment may be performed in a closed tube filled with an inert gas such as argon or helium under an inert gas atmosphere.

【0026】ところで、この第1実施例で使用している
FeとSiの結晶粒は大気中で保管されているため、そ
の表面はわずかに酸化されているのが普通である。この
ように結晶粒の表面が酸化されている場合、FeとSi
との間の反応が抑制されるとういう問題が生ずる。しか
しながら、本実施例のような熱処理を施すことにより、
結晶粒表面の一部が蒸気となるため、表面酸化層が結晶
粒表面から除去され、FeとSiの結晶粒間の表面拡散
が促進され、その結果として反応性が向上する、という
効果も奏する。また、同様の理由により、熱処理工程前
にFeとSiの単体粉末に対し、還元処理を施した後、
直ちに石英管1内に封入することにより、熱処理工程を
さらに短時間化することができる。
By the way, since the crystal grains of Fe and Si used in the first embodiment are stored in the air, their surfaces are usually slightly oxidized. When the surface of the crystal grain is oxidized as described above, Fe and Si
A problem arises that the reaction between is suppressed. However, by performing the heat treatment as in this embodiment,
Since a part of the crystal grain surface becomes vapor, the surface oxide layer is removed from the crystal grain surface, and the surface diffusion between the Fe and Si crystal grains is promoted. As a result, the reactivity is improved. . Further, for the same reason, after performing a reduction treatment on the single powder of Fe and Si before the heat treatment step,
By immediately enclosing the inside of the quartz tube 1, the heat treatment step can be further shortened.

【0027】このようにして純粋なβ相の粉体を短時間
で製造することができるが、一般に熱処理温度が低下す
ると結晶成長速度が遅くなり、結晶性が悪くなるという
問題が生じる。本実施例では、従来のように高温相であ
るα相を生成する高温熱処理工程を採用していないので
結晶性の劣化が懸念されるが、結晶性を評価する一つの
指標であるX線半値幅で比較した場合、本実施例の方法
により得られるβ−FeSi2粉末のX線半値幅は、従
来のα相を熱処理してβ相に相変態させる方法(以下、
単に従来法という)により得られるβ−FeSi2粉末
とほぼ同程度であり本実施例の方法は結晶性を劣化させ
るものではない。
In this way, a pure β-phase powder can be produced in a short time, but generally, when the heat treatment temperature is lowered, the crystal growth rate is reduced, and the crystallinity is deteriorated. In the present embodiment, there is a concern that crystallinity may be degraded because a high-temperature heat treatment step for generating an α-phase, which is a high-temperature phase, is not employed as in the prior art. When compared by the value width, the X-ray half-value width of the β-FeSi 2 powder obtained by the method of the present embodiment is determined by a conventional method of heat-treating an α-phase and transforming the β-phase into a β-phase (hereinafter, referred to as
This is almost the same as β-FeSi 2 powder obtained by the conventional method, and the method of this embodiment does not deteriorate the crystallinity.

【0028】また、従来法においてもSiを過剰(F
e:Si=1:2.1)とすることにより粉砕容器に含
まれるFeの混入などを原因としてβ−FeSi2単相
になる場合があるが、この場合の粉末の焼結体の電気抵
抗率はε相が含まれている場合よりも増加し、300K
で15〜25(Ω・cm)程度であることが知られてい
る(例えば、Tani et.al.:Jpn.J.A
ppl.Phys.Vol.39(2000)pp10
54−1057)。これに対し、本実施例の方法により
製造したβ−FeSi2の粉末の焼結体では、出発組成
がFe:Si=1:2であり従来法とは異なるが、電気
抵抗率は300Kで15〜25(Ω・cm)程度であり
両者はほぼ同じ値をとる。この電気抵抗値からも本実施
例の方法により得られる粉体は純粋なβ相であるといえ
る。さらに、本実施例の方法により作製したβ−FeS
2の粉末を室温で加圧成形した後に熱処理を施して作
製した焼結体は、従来の方法により作製した純粋なβ相
焼結体と同一温度でほぼ同じ電気抵抗率を示す。従っ
て、この焼結体を熱電材料とする場合、実用上、結晶性
に加えて電気抵抗の面からも従来技術で作製したのと同
質で問題ないレベルのものとなっており、従来法による
β−FeSi2の焼結体が用いられていた分野にそのま
ま用いることができる。
Also, in the conventional method, excess Si (F
e: Si = 1: 2.1), there is a case where β-FeSi 2 single phase is formed due to mixing of Fe contained in the pulverization container. Rate is greater than when the ε phase is included,
Is known to be about 15 to 25 (Ω · cm) (for example, Tani et. Al .: Jpn.JA).
ppl. Phys. Vol.39 (2000) pp10
54-1057). On the other hand, in the sintered body of β-FeSi 2 powder produced by the method of the present embodiment, the starting composition is Fe: Si = 1: 2, which is different from the conventional method, but the electric resistivity is 300K and 15%. 2525 (Ω · cm), and both have almost the same value. From this electric resistance value, it can be said that the powder obtained by the method of this embodiment is a pure β phase. Further, the β-FeS prepared by the method of the present embodiment
sintered body was produced by performing heat treatment after pressing at room temperature powder i 2 indicates substantially the same electrical resistivity in a conventional pure β-phase sintered body of the same temperature as produced by the process. Therefore, when this sintered body is used as a thermoelectric material, in practical terms, in terms of electric resistance in addition to crystallinity, it is of the same quality as that produced by the conventional technology and has no problem. -It can be used as it is in the field where the sintered body of FeSi 2 was used.

【0029】上述したような本発明の方法により作製さ
れるβ−FeSi2の粉末は、焼結体として熱電材料と
することができる。この際、この粉末から焼結度の高い
焼結体を作製するためには、さらに相変態を目的とした
熱処理工程やSPS法などの従来技術を適用する必要が
あるが、化学輸送法や液相成長法などの単結晶作製用の
出発原料として使用する場合には、この粉末をそのまま
使用することができる。特に、MA法などの長時間にわ
たる微細粒作製工程を経ていないため、原料のFeとS
iの単体粉末の純度を反映した単結晶を作製することが
できる。なお、化学輸送法とは、石英管などの高融点の
閉管内に原料と沃素などの蒸気圧の高い材料を同時に入
れて、熱処理することにより気相成長を行う結晶成長法
の一種であり、閉管内での結晶成長法であるため、原料
の純度が結晶の純度を反映する。したがって、高純度の
原料を使用することにより高純度の単結晶を作製するこ
とができることから、本実施例の方法で作製したものは
この点において特に好適であるといえる。
The β-FeSi 2 powder produced by the method of the present invention as described above can be used as a thermoelectric material as a sintered body. At this time, in order to produce a sintered body having a high degree of sintering from the powder, it is necessary to further apply a conventional technique such as a heat treatment step for phase transformation or an SPS method. When used as a starting material for preparing a single crystal such as a phase growth method, this powder can be used as it is. In particular, the raw materials Fe and S have not passed through a long-time fine-grain manufacturing process such as the MA method.
A single crystal reflecting the purity of the simple substance powder of i can be produced. Note that the chemical transport method is a type of crystal growth method in which a raw material and a material having a high vapor pressure such as iodine are simultaneously placed in a closed tube having a high melting point such as a quartz tube and heat-treated to perform vapor phase growth. Since this is a crystal growth method in a closed tube, the purity of the raw material reflects the purity of the crystal. Therefore, a high-purity single crystal can be produced by using a high-purity raw material. Therefore, the one produced by the method of this embodiment can be said to be particularly suitable in this respect.

【0030】ところで、β相は、Si(100)面やS
i(111)面と格子整合性がよく、基板の結晶情報を
反映した高品質な薄膜作成が期待されるため、熱電素子
のみならず太陽電池や光学素子への応用が検討されてい
る。この薄膜作製法の一つとしてスパッタ法やレーザー
アブレーション法やそれらを組み合わせた方法が知られ
ている。これらの方法では原料として焼結体ターゲット
を使用する場合がある。この場合、薄膜の純度はターゲ
ットの純度を反映し、高純度の薄膜を作製するために
は、高純度のターゲットを使用する必要があるが、本実
施例の方法により作製したβ−FeSi2粉末は、前記
のように原料の単体粉末の純度を反映することができる
ので、高純度のターゲットの原材料に使用するのに好適
である。その結果、高純度の薄膜を作製することができ
る。
Incidentally, the β phase is composed of Si (100) plane and S
Since lattice formation with the i (111) plane is good and a high-quality thin film reflecting crystal information of the substrate is expected, application to not only thermoelectric elements but also solar cells and optical elements is being studied. As one of the thin film production methods, a sputtering method, a laser ablation method, and a method combining them are known. In these methods, a sintered body target may be used as a raw material in some cases. In this case, the purity of the thin film reflects the purity of the target, and in order to produce a high-purity thin film, it is necessary to use a high-purity target. However, the β-FeSi 2 powder produced by the method of this embodiment is required. Is suitable for use as a raw material for a high-purity target because it can reflect the purity of the simple substance powder as described above. As a result, a high-purity thin film can be manufactured.

【0031】次に、熱電材料を製造する本発明の第2実
施例の方法について図4のフローチャートに基づいて説
明する。第2実施例の方法は、基本的には前述した第1
実施例の方法と同じであるので同一の工程についてはそ
の詳細な説明を省略する。
Next, a method of manufacturing a thermoelectric material according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. The method of the second embodiment is basically the same as that of the first embodiment described above.
Since the method is the same as that of the embodiment, detailed description of the same steps will be omitted.

【0032】まず、FeとSiの単体粉末をモル比(元
素比)が実質的Fe:Si=1:2となるように計量す
る。この時単体粉末の粒径は前述した第1実施例の方法
の場合と同様の理由により125μm以下であるのが好
ましい。また、使用するFeとSiの粉末の純度は98
%以下程度でもよい。
First, simple powders of Fe and Si are weighed such that the molar ratio (element ratio) is substantially 1: 2. At this time, the particle size of the single powder is preferably 125 μm or less for the same reason as in the method of the first embodiment described above. The purity of the powder of Fe and Si used is 98.
% Or less.

【0033】そして、FeとSiの粉末を混合する。こ
の混合は前述した第1実施例の方法と同じく行なえばよ
い。続いて、このようにして混合した混合粉末を室温で
加圧成形する。この加圧成形の際の圧力は500kg/
cm2程度であればよい。
Then, powders of Fe and Si are mixed. This mixing may be performed in the same manner as in the method of the first embodiment. Subsequently, the mixed powder thus mixed is subjected to pressure molding at room temperature. The pressure during this pressure molding is 500 kg /
cm 2 may be sufficient.

【0034】次に、高融点材料からなる封入容器、具体
的には、図2に示すような石英管1に挿入する。このと
き、石英管1はあらかじめ管内に付着した有機物や金属
を除去するために有機溶媒や酸などを使用して洗浄して
おくことが望ましい。続いて、石英管1の開管側1Aか
ら真空排気装置(図示せず)を使用して排気しながら、
石英管1を管状電気炉などの加熱炉に設置し加熱する。
この際、成形体2の近傍の石英管1の温度を500℃程
度とする。
Next, it is inserted into an enclosure made of a high melting point material, specifically, a quartz tube 1 as shown in FIG. At this time, it is desirable that the quartz tube 1 be previously cleaned using an organic solvent, an acid, or the like in order to remove organic substances and metals attached to the inside of the tube. Subsequently, while evacuating from the open tube side 1A of the quartz tube 1 using a vacuum evacuation device (not shown),
The quartz tube 1 is placed in a heating furnace such as a tubular electric furnace and heated.
At this time, the temperature of the quartz tube 1 near the molded body 2 is set to about 500 ° C.

【0035】この熱処置の時間は30分程度でよい。そ
の後、酸素と水素の混合ガスなどを使用したバーナなど
を使用して石英管1の開管側1Aを溶かして封じる。こ
の石英管1に封じる工程は前述した第1実施例の方法と
同じでよい。なお、本実施例においては、成形体2を真
空封入する封入容器として石英管1を用いたが、後述す
る熱処理工程における熱処理温度でFe、Si及びシリ
サイド相と反応しない高融点材料であれば、石英以外の
他の材料製のものも用いることができる。
The time of the heat treatment may be about 30 minutes. Thereafter, the open tube side 1A of the quartz tube 1 is melted and sealed using a burner or the like using a mixed gas of oxygen and hydrogen. The step of sealing in the quartz tube 1 may be the same as the method of the first embodiment described above. In this example, the quartz tube 1 was used as an enclosure for enclosing the compact 2 in a vacuum. However, any high-melting-point material that does not react with Fe, Si, and the silicide phase at a heat treatment temperature in a heat treatment step described later may be used. Those made of materials other than quartz can also be used.

【0036】そして、成形体2を封じた石英管1を管状
電気炉などの加熱炉に設置し、前述した第1実施例の方
法と同じ条件で熱処理を施せばよい。
Then, the quartz tube 1 in which the molded body 2 is sealed is placed in a heating furnace such as a tubular electric furnace, and heat treatment may be performed under the same conditions as in the above-described first embodiment.

【0037】このように本発明の第2実施例の方法は、
前述した第1実施例の方法において、石英管1内に成形
体2を設置したら、その開管側1Aから真空排気装置
(図示せず)を使用して石英管1内の空気を排気しなが
ら、石英管1を管状電気炉などの加熱炉に設置し加熱す
る工程を加えたものであり、この工程により以下のよう
な効果を奏する。すなわち、原料の単体粉末の表面に
は、少なからず大気中の水分やガスが吸着しているが、
原料粉末の表面に吸着物質が存在している場合、熱処理
工程後の粉末に再付着もしくは混入し、不純物となり純
度を低下させる場合がある。このような吸着物の中で水
や軽元素は減圧下で熱処理することにより原料粉末から
離脱するが、この熱処理をあまり高温化すると、Feや
Siの蒸気が発生するため閉管構造でない場合にはβ相
の生成が抑制されるという問題がある。そこで、成形体
2の近傍の石英管1の温度を500℃程度に保持するこ
とにより、FeやSiの蒸気を発生させることなく、水
分などの吸着物を真空排除することで除去し、その後閉
管して前述した第1実施例の方法と同様の熱処理を行う
ことにより、一層純度の高いβ相粉末を作製することが
できる。なお、真空排気後は、アルゴンやヘリウムなど
の不活性ガスを充満させた閉管内で不活性ガス雰囲気下
で熱処理を行ってもよい。
Thus, the method of the second embodiment of the present invention
In the method of the first embodiment described above, when the compact 2 is set in the quartz tube 1, the air in the quartz tube 1 is evacuated from the open tube side 1A using a vacuum exhaust device (not shown). In addition, a step of installing and heating the quartz tube 1 in a heating furnace such as a tubular electric furnace is added, and the following effects can be obtained by this step. In other words, the surface of the raw material powder adsorbs moisture and gas in the air to a considerable extent,
When an adsorbed substance is present on the surface of the raw material powder, the adsorbed substance may be reattached or mixed with the powder after the heat treatment step to become an impurity and reduce purity. In such adsorbed materials, water and light elements are separated from the raw material powder by heat treatment under reduced pressure.However, if the heat treatment is too high, vapors of Fe and Si are generated, so if the structure is not a closed tube structure, There is a problem that generation of the β phase is suppressed. Therefore, by maintaining the temperature of the quartz tube 1 near the molded body 2 at about 500 ° C., adsorbed substances such as moisture are removed by vacuum elimination without generating vapors of Fe or Si, and then closed. By performing the same heat treatment as in the method of the first embodiment described above, a β-phase powder with higher purity can be produced. After the evacuation, heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere in a closed tube filled with an inert gas such as argon or helium.

【0038】このようにして製造されるβ相の粉体は、
前述した第1実施例の方法による粉体と同様の特性を有
するものであり同様の用途及び態様で用いることができ
る。
The β-phase powder thus produced is
It has the same characteristics as the powder obtained by the method of the first embodiment, and can be used in the same application and manner.

【0039】以上、本発明の熱電材料についてFeとS
iとの化合物の場合を例に詳細に説明してきたが、上述
したような本発明の第1実施例及び第2実施例の方法
は、Fe以外でもCo、Ni、Cr、Ti、Cu、M
n、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Moある
いはZrの珪素と熱電特性を発揮する化合物を形成する
金属にも同様に適用可能である。特にMn、Al、V、
Pt、Pdなどの金属をβ−FeSi2に添加すること
により、得られる半導体のP型、N型の制御が可能とな
る。
As described above, the thermoelectric material of the present invention contains Fe and S
Although the case of the compound with i has been described in detail as an example, the methods of the first and second embodiments of the present invention as described above may be applied to Co, Ni, Cr, Ti, Cu, M other than Fe.
The present invention can be similarly applied to a metal which forms a compound exhibiting thermoelectric properties with silicon such as n, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr. In particular, Mn, Al, V,
By adding a metal such as Pt or Pd to β-FeSi 2 , it becomes possible to control the P-type and N-type of the obtained semiconductor.

【0040】[0040]

【実施例】本発明を以下の具体的実施例に基づきより詳
細に説明する。実施例1及び比較例1 原料としてFe及びSiの単体粉末を1:2のモル比で
メノウ製の乳鉢にいれて混合し、この混合粉末を500
kg/cm2で加圧成形して成形体とした。
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples. Example 1 and Comparative Example 1 As raw materials, simple powders of Fe and Si were mixed in a molar ratio of 1: 2 in an agate mortar, and this mixed powder was mixed with 500 powder.
It was molded under pressure at kg / cm 2 to obtain a molded body.

【0041】このようにして得られた成形体を図2に示
すように石英管内に設置し、ロータリーポンプで3×1
-2Torr以下に真空排気した後、石英管を封じて図
3に示すような試験用サンプル(実施例1)とした。
The compact thus obtained was placed in a quartz tube as shown in FIG.
After evacuating to 0 −2 Torr or less, the quartz tube was sealed to obtain a test sample (Example 1) as shown in FIG.

【0042】この試験用サンプルを管状電気炉に投入し
全体を750℃、850℃、950℃、1050℃及び
1150℃でそれぞれ2時間熱処理した後の粉末をX線
回析測定により回析し、Si、ε相、β相の回析ピーク
の積分強度を算出した。結果を表1に示す。また、比較
のために石英管に成形体を設置し閉管しなかったもの
(比較用サンプル:比較例1)を用いて、ロータリーポ
ンプで真空排気しながら同様に2時間熱処理した場合の
Si、ε相、β相の回析ピークの積分強度を算出した結
果を表1に合わせて示す。
The test sample was put into a tubular electric furnace, and the whole was heat-treated at 750 ° C., 850 ° C., 950 ° C., 1050 ° C. and 1150 ° C. for 2 hours, and the powder was analyzed by X-ray diffraction measurement. The integrated intensity of the diffraction peak of Si, ε phase, and β phase was calculated. Table 1 shows the results. In addition, for comparison, Si and ε were used when a molded body was placed on a quartz tube and the tube was not closed (comparative sample: Comparative Example 1) and similarly heat-treated for 2 hours while evacuating with a rotary pump. Table 1 also shows the results of calculating the integrated intensities of the diffraction peaks of the phase and the β phase.

【0043】なお、粉末X線回析測定において、各相の
積分強度の大きい回析ピークを指標とするためにSiは
〈111〉ピーク、ε相は〈210〉ピーク、β鉄シリ
サイドは〈202〉ピークを示した。そして、Si〈1
11〉の場合は、熱処理前の積分強度を1に規格化して
その比で表し、ε〈210〉及びβ〈202〉の場合
は、最高強度を1に規格化して表した。
In the powder X-ray diffraction measurement, since the diffraction peak having a large integrated intensity of each phase is used as an index, Si has a <111> peak, ε phase has a <210> peak, and β iron silicide has a <202> peak. 〉 Peak. And Si <1
In the case of <11>, the integrated intensity before heat treatment was normalized to 1 and represented by the ratio, and in the case of ε <210> and β <202>, the maximum intensity was normalized to 1.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】表1から明らかなように成形体2を真空封
入した実施例1の場合には、950℃でβ相が生成し、
1150℃ではSiの残存がなくなることがわかる。特
に950℃でβ相が最高強度を示した。そして、この9
50℃で2時間の熱処理後は、Siとε相とβ相とが確
認されたが、20時間熱処理を継続した場合には、Si
及びε相が消滅し、β相のみとなっていた。これに対
し、真空排気しながら熱処理した比較例1の場合には、
熱処理温度が上昇してもSiが残存し、ε相は生成され
るがβ相は生成されないことがわかる。したがって、こ
の状態を長時間維持してもβ相化は進行しない。これ
は、前述したようにFe及びSiの蒸気圧が関係してい
ると思われる。また、この表1からFe及びSiから純
度の高いβ相であるβ−FeSi2を得る場合には、8
75〜1025℃、好ましくは900〜950℃で熱処
理すればよいことがわかる。実施例2 実施例1で使用した試験用サンプルを管状電気炉に投入
し、領域(a)を950℃とするとともに領域(b)の
最低温度を25℃、170℃、480℃、860℃及び
910℃としてそれぞれ20時間熱処理した後のβ相生
成の有無を確認した。結果を表2に示す。
As is clear from Table 1, in the case of Example 1 in which the molded body 2 was vacuum-sealed, a β phase was formed at 950 ° C.
It can be seen that at 1150 ° C., there is no residual Si. In particular, at 950 ° C., the β phase showed the highest strength. And this 9
After heat treatment at 50 ° C. for 2 hours, Si, ε phase and β phase were confirmed. However, when heat treatment was continued for 20 hours, Si
And the ε phase disappeared, leaving only the β phase. On the other hand, in the case of Comparative Example 1 which was heat-treated while evacuating,
It can be seen that even if the heat treatment temperature rises, Si remains and an ε phase is generated, but no β phase is generated. Therefore, even if this state is maintained for a long time, β-phase formation does not proceed. This seems to be related to the vapor pressures of Fe and Si as described above. From Table 1, when β-FeSi 2 , which is a β phase with high purity, is obtained from Fe and Si, 8
It is understood that the heat treatment may be performed at 75 to 1025C, preferably 900 to 950C. Example 2 The test sample used in Example 1 was put into a tubular electric furnace, and the area (a) was set to 950 ° C., and the minimum temperature of the area (b) was set to 25 ° C., 170 ° C., 480 ° C., 860 ° C. After each heat treatment at 910 ° C. for 20 hours, the presence or absence of β phase formation was confirmed. Table 2 shows the results.

【0046】[0046]

【表2】 [Table 2]

【0047】表2から明らかなように、領域(b)の温
度が450℃未満である170℃、25℃とした場合に
は、領域(a)の温度が950℃であってもβ相の生成
は確認されなかったのに対し、領域(b)の温度が45
0℃以上である480℃、860℃及び910℃の場合
にはβ相の生成が確認された。これは450℃未満で
は、Fe及びSiの蒸気が領域(b)で凝集してしま
い、これに伴い成形体近傍のFeやSiの蒸気圧が低下
し、前述した比較例1の真空排気下の熱処理工程と同様
にFeとSiの結晶粒の反応性が低下し、β相の生成が
抑制されると考えられる。実施例3及び比較例2 実施例1で使用した試験用サンプルを管状電気炉に投入
し、領域(a)を950℃とするとともに領域(b)の
最低温度を910℃として20時間熱処理し、高純度の
β−FeSi2を得た。このβ−FeSi2を粉砕したも
の(実施例3)をX線回析測定装置により分析し2θ/
θによるβ相の〈202〉ピークの半値幅を測定した。
X線源としてはFeKα線を使用した。結果を表3に示
す。また、比較のためにFe及びSiの原料粉末をF
e:Si=1:2.1のモル比で混合し、高温でα相と
した後、100時間の熱処理によりβ相に相変態させた
従来の方法によるβ−FeSi2(比較例2)に対し、
同様にX線回析測定装置によりβ相の半値幅を測定し
た。結果を表3に合わせて示す。
As is clear from Table 2, when the temperature of the region (b) is 170 ° C. or 25 ° C., which is lower than 450 ° C., even if the temperature of the region (a) is 950 ° C., Although no generation was confirmed, the temperature in the region (b) was 45
In the case of 480 ° C., 860 ° C., and 910 ° C., which is 0 ° C. or higher, generation of a β phase was confirmed. If the temperature is lower than 450 ° C., the vapors of Fe and Si are aggregated in the region (b), and the vapor pressures of Fe and Si in the vicinity of the formed body are reduced. It is considered that the reactivity of the crystal grains of Fe and Si decreases as in the heat treatment step, and the generation of the β phase is suppressed. Example 3 and Comparative Example 2 The test sample used in Example 1 was put into a tubular electric furnace, and the region (a) was heat-treated at 950 ° C. for 20 hours while the minimum temperature of the region (b) was 910 ° C. High-purity β-FeSi 2 was obtained. The pulverized β-FeSi 2 (Example 3) was analyzed by an X-ray diffractometer to obtain 2θ /
The half width of the <202> peak of the β phase due to θ was measured.
FeKα radiation was used as the X-ray source. Table 3 shows the results. For comparison, the raw material powders of Fe and Si were
e: Si = 1: 2.1 was mixed at a molar ratio to form an α-phase at a high temperature, and then transformed into a β-phase by a heat treatment for 100 hours to give β-FeSi 2 (Comparative Example 2) according to a conventional method. On the other hand,
Similarly, the half width of the β phase was measured by an X-ray diffraction measurement device. The results are shown in Table 3.

【0048】[0048]

【表3】 [Table 3]

【0049】表3から明らかなように、本発明の方法に
よる実施例3のβ−FeSi2のβ相の半値幅は、0.
35(deg)であるのに対し、従来法による比較例2
のβ−FeSi2のβ相の半値幅は、0.33(de
g)であった。半値幅は結晶性が向上すると減少する
が、半値幅の0.02(deg)程度の差は、測定時の
粉末の粒度により変わり得る程度の誤差範囲であり、両
者の結晶性に大きな差異はないことがわかる。このこと
から、本発明の方法では、熱処理温度を低くしても結晶
性を損なっていないことが確認された。
As is clear from Table 3, the half-value width of the β-phase of β-FeSi 2 of Example 3 according to the method of the present invention was 0.1 mm.
Comparative Example 2 according to the conventional method, whereas 35 (deg)
Of the β-phase of β-FeSi 2 of 0.33 (de
g). The half width decreases as the crystallinity improves, but the difference of about 0.02 (deg) in the half width is an error range that can vary depending on the particle size of the powder at the time of measurement. It turns out there is no. This confirmed that the method of the present invention did not impair the crystallinity even when the heat treatment temperature was lowered.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明の請求項1記載の熱電材料の製造
方法は、Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、Mn、
Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又はZr
から選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単体元素
の粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混合粉末
を高融点材料からなる封入容器に真空状態あるいは不活
性ガス雰囲気下で封入する工程と、これに続く熱処理工
程とを有する方法であるので、原料粉末の純度を反映し
た所望とする元素比の珪素化合物を短時間に、かつ従来
よりも低温での熱処理で製造することが可能となる。
The method for producing a thermoelectric material according to claim 1 of the present invention is characterized in that Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu, Mn,
Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr
Mixing a powder of one or more metals selected from the group consisting of a single element of Si and a single element of Si at a predetermined element ratio, and placing the mixed powder in an enclosure made of a high melting point material in a vacuum state or an inert gas atmosphere. In this method, a silicon compound having a desired element ratio reflecting the purity of the raw material powder is produced in a short time and by a heat treatment at a lower temperature than before, since the method has a step of encapsulating at a temperature and a subsequent heat treatment step. It becomes possible.

【0051】また、本発明の請求項2記載の熱電材料の
製造方法は、Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、M
n、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又は
Zrから選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単体
元素の粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混合
粉末を高融点材料からなる封入容器に入れて真空排気し
ながら熱処理する工程と、引き続いて真空状態あるいは
不活性ガス雰囲気下で封入する工程と、さらに熱処理工
程とを有する方法であるので、原料粉末の純度を反映し
た所望とする元素比の珪素化合物を短時間に、かつ従来
よりも低温での熱処理で製造することが可能となる。
The method for producing a thermoelectric material according to claim 2 of the present invention is characterized in that Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu, M
mixing a powder of one or more metals selected from n, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr and a simple element powder of Si at a predetermined element ratio; The method includes a step of heat-treating the mixed powder in an enclosure made of a high-melting-point material and evacuating it under vacuum, a step of subsequently enclosing in a vacuum state or an inert gas atmosphere, and a heat treatment step. It becomes possible to produce a silicon compound having a desired element ratio reflecting the purity of the powder in a short time by a heat treatment at a lower temperature than before.

【0052】請求項3記載の熱電材料の製造方法は、前
記請求項1又は2において、前記金属がFeであり、F
eとSiの単体元素の粉末を1:2の元素比で混合する
方法であるので、原料粉末であるFeとSiの純度を反
映した純度の高いβ−FeSi2を短時間に、かつ従来
よりも低温での熱処理で製造することが可能となってい
る。
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thermoelectric material according to the first or second aspect, the metal is Fe,
Since the method is a method of mixing powders of elemental elements of e and Si at an element ratio of 1: 2, β-FeSi 2 having a high purity reflecting the purity of the raw material powders Fe and Si can be produced in a short time and in comparison with the conventional method. Can also be manufactured by heat treatment at a low temperature.

【0053】請求項4記載の熱電材料の製造方法は、前
記請求項5において、前記混合粉末を前記真空状態ある
いは不活性ガス雰囲気下で封入する工程の後の熱処理工
程において、前記封入容器の温度を前記成形体の近傍で
875〜1025℃とする方法であるので、原料粉末で
あるFeとSiの純度を反映した純度の高いβ−FeS
2をさらに短時間に、かつ従来よりも低温での熱処理
で製造することが可能となっている。
In a fourth aspect of the present invention, in the heat treatment step after the step of enclosing the mixed powder in the vacuum state or under an inert gas atmosphere, the temperature of the encapsulation container may be reduced. Is set to 875 to 1025 ° C. in the vicinity of the compact, so that β-FeS having a high purity reflecting the purity of the raw material powders Fe and Si is used.
It is possible to produce i 2 in a shorter time and by a heat treatment at a lower temperature than before.

【0054】さらに、請求項5記載の熱電材料の製造方
法は、前記請求項3又は4において、前記混合粉末を前
記真空状態あるいは不活性ガス雰囲気下で封入する工程
の後の熱処理工程において、前記封入容器の温度を前記
成形体の近傍以外では450℃以上とする方法であるの
で、原料粉末であるFeとSiの純度を反映した純度の
高いβ−FeSi2を一層短時間に、かつ従来よりも低
温での熱処理で製造することが可能となっている。
Further, in the method for producing a thermoelectric material according to claim 5, the heat treatment step after the step of encapsulating the mixed powder in the vacuum state or under an inert gas atmosphere according to claim 3 or 4, comprises: Since the method is such that the temperature of the sealed container is set to 450 ° C. or higher except for the vicinity of the molded body, β-FeSi 2 having high purity reflecting the purity of the raw material powders Fe and Si can be produced in a shorter time and in comparison with the conventional method. Can also be manufactured by heat treatment at a low temperature.

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

【図1】本発明の第1実施例の方法における製造工程を
示すフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process in a method according to a first embodiment of the present invention.

【図2】前記第1実施例の方法における成形体の石英管
への設置状態を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a state in which a molded body is installed in a quartz tube in the method of the first embodiment.

【図3】同上成形体の石英管への封入状態を示す断面図
である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where the molded body is sealed in a quartz tube.

【図4】本発明の第2実施例の方法における製造工程を
示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process in a method according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 石英管 2 成形体 1 Quartz tube 2 Molded body

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、
Mn、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又
はZrから選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単
体元素の粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混
合粉末を高融点材料からなる封入容器に真空状態あるい
は不活性ガス雰囲気下で封入する工程と、これに続く熱
処理工程とを有することを特徴とする熱電材料の製造方
法。
1. The method according to claim 1, wherein Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu,
Mixing a powder of one or more metals selected from Mn, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr and a single element element of Si at a predetermined element ratio; A method for producing a thermoelectric material, comprising a step of enclosing a mixed powder in an encapsulation container made of a high melting point material in a vacuum state or an inert gas atmosphere, and a subsequent heat treatment step.
【請求項2】 Fe、Co、Ni、Cr、Ti、Cu、
Mn、Al、V、Pt、Pd、Nb、Ta、W、Mo又
はZrから選ばれた1種又は2種以上の金属とSiの単
体元素の粉末を所定の元素比で混合する工程と、この混
合粉末を高融点材料からなる封入容器に入れて真空排気
しながら熱処理する工程と、引き続いて真空状態あるい
は不活性ガス雰囲気下で封入する工程と、さらに熱処理
工程とを有することを特徴とする熱電材料の製造方法。
2. Fe, Co, Ni, Cr, Ti, Cu,
Mixing a powder of one or more metals selected from Mn, Al, V, Pt, Pd, Nb, Ta, W, Mo or Zr and a single element element of Si at a predetermined element ratio; A thermoelectric step characterized by comprising a step of placing the mixed powder in an enclosure made of a high-melting-point material and performing a heat treatment while evacuating, a step of subsequently enclosing the mixture in a vacuum state or an inert gas atmosphere, and a heat treatment step. Material manufacturing method.
【請求項3】 前記金属がFeであり、FeとSiの単
体元素の粉末を1:2の元素比で混合することを特徴と
する請求項1又は2記載の熱電材料の製造方法。
3. The method for producing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the metal is Fe, and powders of a single element of Fe and Si are mixed at an element ratio of 1: 2.
【請求項4】 前記混合粉末を前記真空状態あるいは不
活性ガス雰囲気下で封入する工程の後の熱処理工程にお
いて、前記封入容器の温度を前記成形体の近傍で875
〜1025℃とすることを特徴とする請求項3項記載の
熱電材料の製造方法。
4. In a heat treatment step after the step of sealing the mixed powder in the vacuum state or under an inert gas atmosphere, the temperature of the sealing container is set to 875 in the vicinity of the molded body.
The method for producing a thermoelectric material according to claim 3, wherein the temperature is set to -1025C.
【請求項5】 前記混合粉末を前記真空状態あるいは不
活性ガス雰囲気下で封入する工程の後の熱処理工程にお
いて、前記封入容器の温度を前記成形体の近傍以外では
450℃以上とすることを特徴とする請求項3又は4記
載の熱電材料の製造方法。
5. In a heat treatment step after the step of sealing the mixed powder in a vacuum or in an inert gas atmosphere, the temperature of the sealing container is set to 450 ° C. or higher except for the vicinity of the molded body. The method for producing a thermoelectric material according to claim 3.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005263562A (en) * 2004-03-18 2005-09-29 Tama Tlo Kk METHOD FOR MANUFACTURING beta-FeSi2
JP2013179322A (en) * 2006-12-20 2013-09-09 Tokyo Univ Of Science Thermoelectric conversion material, production method therefor and thermoelectric conversion element
JP2016063034A (en) * 2014-09-17 2016-04-25 株式会社リコー Thermoelectric material and thermoelectric module
JP2018050024A (en) * 2016-09-14 2018-03-29 株式会社リコー Thermoelectric material and thermoelectric module

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