JP2006057124A - Clathrate compound and thermoelectric conversion element using the same - Google Patents

Clathrate compound and thermoelectric conversion element using the same Download PDF

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JP2006057124A
JP2006057124A JP2004238401A JP2004238401A JP2006057124A JP 2006057124 A JP2006057124 A JP 2006057124A JP 2004238401 A JP2004238401 A JP 2004238401A JP 2004238401 A JP2004238401 A JP 2004238401A JP 2006057124 A JP2006057124 A JP 2006057124A
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composition formula
thermoelectric conversion
conversion element
rare earth
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Mitsuru Matsuura
松浦  満
Mitsuharu Akai
光治 赤井
Yasufumi Shibata
靖文 柴田
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Toyota Motor Corp
Yamaguchi University NUC
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Yamaguchi University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a clathrate compound having excellent thermoelectric conversion characteristics and a thermoelectric conversion element using the same. <P>SOLUTION: The clathrate compound represented by the following composition formulae (1) to (3) is provided: (1) Ba<SB>8</SB>M<SB>x</SB>Si<SB>46-x</SB>(wherein, 1≤x≤6 is satisfied; and M represents Cu, Ag or Au); (2) A<SB>y</SB>Ba<SB>8-y</SB>M<SB>x</SB>Si<SB>46-x</SB>(wherein, 1≤x≤6 and 1≤y<8 are satisfied; A represents a rare earth element; and M represents Cu, Ag or Au); (3) A<SB>y</SB>Ba<SB>8-y</SB>M<SB>z</SB>Ge<SB>46-z</SB>(wherein, 1≤y<8 and 1≤z≤6 are satisfied; A represents a rare earth element; and M represents Cu, Ag or Au). The thermoelectric conversion element using the compound is also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、クラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a clathrate compound and a thermoelectric conversion element using the same.

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。その性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換素子は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。   Thermoelectric conversion elements using the Seebeck effect can convert thermal energy into electrical energy. Utilizing this property, it is possible to convert exhaust heat exhausted from industrial / consumer processes and mobile objects into effective electric power, and thermoelectric conversion elements are attracting attention as energy-saving technologies in consideration of environmental problems.

熱電変換素子に用いられる熱電変換材料として、従来から、ビスマス・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料、鉛・テルル系材料などが知られている。さらに、アルミニウムをドープした酸化亜鉛粉を成形、焼成してなる熱電変換材料が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2002−118296号公報
Conventionally, bismuth / tellurium-based materials, silicon / germanium-based materials, lead / tellurium-based materials, and the like are known as thermoelectric conversion materials used for thermoelectric conversion elements. Furthermore, a thermoelectric conversion material formed by molding and baking zinc oxide powder doped with aluminum is known (see, for example, Patent Document 1).
JP 2002-118296 A

本発明は、熱電変換素子に好適な、新規なクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the novel clathrate compound suitable for a thermoelectric conversion element, and a thermoelectric conversion element using the same.

即ち、本発明は、
<1> 下記組成式(1)で表されるクラスレート化合物である。
Ba8xSi46-x (1≦x≦6) (1)
(組成式(1)において、MはCu、Ag又はAuを表す。)
That is, the present invention
<1> A clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Ba 8 M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6) (1)
(In composition formula (1), M represents Cu, Ag, or Au.)

<2> 下記組成式(2)で表されるクラスレート化合物である。
yBa8-yxSi46-x (1≦x≦6、1≦y<8) (2)
(組成式(2)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
<2> A clathrate compound represented by the following composition formula (2).
A y Ba 8-y M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y <8) (2)
(In composition formula (2), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

<3> 下記組成式(3)で表されるクラスレート化合物である。
yBa8-yzGe46-z (1≦y<8、1≦z≦6) (3)
(組成式(3)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
<3> A clathrate compound represented by the following composition formula (3).
A y Ba 8-y M z Ge 46-z (1 ≦ y <8, 1 ≦ z ≦ 6) (3)
(In composition formula (3), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

<4> 下記組成式(1)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子である。
Ba8xSi46-x (1≦x≦6) (1)
(組成式(1)において、MはCu、Ag又はAuを表す。)
<4> A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Ba 8 M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6) (1)
(In composition formula (1), M represents Cu, Ag, or Au.)

<5> 下記組成式(2)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子である。
yBa8-yxSi46-x (1≦x≦6、1≦y<8) (2)
(組成式(2)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
<5> A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (2).
A y Ba 8-y M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y <8) (2)
(In composition formula (2), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

<6> 下記組成式(3)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子である。
yBa8-yzGe46-z (1≦y<8、1≦z≦6) (3)
(組成式(3)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
<6> A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (3).
A y Ba 8-y M z Ge 46-z (1 ≦ y <8, 1 ≦ z ≦ 6) (3)
(In composition formula (3), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

本発明によれば、優れた熱電変換特性を有するクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the clathrate compound which has the outstanding thermoelectric conversion characteristic, and a thermoelectric conversion element using the same can be provided.

以下、本発明のクラスレート化合物及びそれを用いた熱電変換素子について詳細に説明する。
<クラスレート化合物>
本発明のクラスレート化合物1は、下記組成式(1)で表される。
Ba8xSi46-x (1≦x≦6) (1)
(組成式(1)において、MはCu、Ag又はAuを表す。)
Hereinafter, the clathrate compound of the present invention and the thermoelectric conversion element using the same will be described in detail.
<Clathrate compound>
The clathrate compound 1 of the present invention is represented by the following composition formula (1).
Ba 8 M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6) (1)
(In composition formula (1), M represents Cu, Ag, or Au.)

組成式(1)におけるxが1未満であると、クラスレート化合物1が、熱電変換材料として十分な特性を発揮しないことがある。また、xが6よりも大きいと、熱電変換材料としての性質を有するクラスレート化合物を得ることができないことがある。   When x in the composition formula (1) is less than 1, the clathrate compound 1 may not exhibit sufficient characteristics as a thermoelectric conversion material. When x is larger than 6, a clathrate compound having properties as a thermoelectric conversion material may not be obtained.

熱電変換材料の性能の指標の一つである性能指数ZTは、下記式(A)で表される。   The figure of merit ZT, which is one of the performance indexes of the thermoelectric conversion material, is represented by the following formula (A).

ZT=α2σT/κ (A) ZT = α 2 σT / κ (A)

ここで、α、σ、κ及びTは、それぞれ、ゼーベック係数、電気伝導度、熱伝導度及び測定温度を表す。   Here, α, σ, κ, and T represent the Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and measurement temperature, respectively.

熱電変換材料の性能を向上させるためには性能指数ZTを大きくする必要がある。   In order to improve the performance of the thermoelectric conversion material, it is necessary to increase the figure of merit ZT.

式(A)におけるゼーベック係数α、電気伝導度σ及び熱伝導度κは、各々下記式(B)、(C)及び(D)で表される。   The Seebeck coefficient α, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ in the formula (A) are represented by the following formulas (B), (C), and (D), respectively.

α=kB/(e(−log(n/n0)+δ)) (B)
σ=enμ (C)
κ=κp+κe (D)
α = k B / (e (−log (n / n 0 ) + δ)) (B)
σ = enμ (C)
κ = κ p + κ e (D)

ここで、kBはボルツマン定数を表し、eは電荷を表し、nはキャリア濃度を表し、n0は温度に依存する定数を表し、δは温度に弱く依存する無次元定数(運動項)を表し、μは移動度を表し、κpは格子成分に係る熱伝導度を表し、κeはキャリア成分に係る熱伝導度を表す。また、κpは下記式(E)で表される。 Here, k B represents a Boltzmann constant, e represents an electric charge, n represents a carrier concentration, n 0 represents a temperature-dependent constant, and δ represents a dimensionless constant (motion term) that is weakly dependent on temperature. Μ represents mobility, κ p represents thermal conductivity related to the lattice component, and κ e represents thermal conductivity related to the carrier component. Further, κ p is represented by the following formula (E).

κp=Cvl/3 (E) κ p = Cvl / 3 (E)

ここで、Cは比熱を表し、vは音速を表し、lはフォノンの平均自由工程を表す。   Here, C represents specific heat, v represents the speed of sound, and l represents the mean free path of phonons.

上記式より、キャリア濃度を低下させるとゼーベック係数は向上するが、電気伝導度は低下することがわかる。また、電気伝導度を向上させると熱伝導度も大きくなる。したがって、これらの関係式をもとに性能指数ZTの向上を考えるのは難しい。   From the above equation, it can be seen that decreasing the carrier concentration improves the Seebeck coefficient but decreases the electrical conductivity. In addition, increasing the electrical conductivity increases the thermal conductivity. Therefore, it is difficult to consider improving the figure of merit ZT based on these relational expressions.

α、σおよびκの式をもとに性能指数ZTを書き換えると下記式(F)となる。電子のエネルギーEがE=P2/2m(ここでPは運動量)で書けるとすると、 When the figure of merit ZT is rewritten based on the expressions α, σ, and κ, the following expression (F) is obtained. If the electron energy E can be written as E = P 2 / 2m (where P is momentum),

ZT∝m3/2μ/(κp+κe) (F) ZT∝m 3/2 μ / (κ p + κ e ) (F)

ここで、mは有効質量を表す。   Here, m represents an effective mass.

熱電変換材料のようにキャリア濃度が1025〜1026/m3の領域では、熱伝導度はκpの方がκeより支配的であるため、κpをいかに小さくするかが課題となる。よって、式(F)はZT∝m3/2μ/κpと考えることができる。ここで、m、μ、およびκpは、それぞれ独立したパラメータと考えることができるため、性能指数ZTの向上の為には、有効質量mと移動度μとを大きくし、格子成分に係る熱伝導度κpを低下させればよいことがわかる。 In the region where the carrier concentration is 10 25 to 10 26 / m 3 as in the thermoelectric conversion material, the thermal conductivity of κ p is more dominant than κ e , so how to reduce κ p is a problem. . Therefore, Formula (F) can be considered as ZT∝m 3/2 μ / κ p . Here, m, μ, and κ p can be considered as independent parameters. Therefore, in order to improve the figure of merit ZT, the effective mass m and the mobility μ are increased, and the heat related to the lattice component is increased. it can be seen that it is sufficient to lower the conductivity kappa p.

クラスレート化合物1は、組成式(1)のMとしてGaを用いたクラスレート化合物よりも有効質量を向上させることができる。そのためクラスレート化合物1は性能指数ZTの向上を図ることができる。   The clathrate compound 1 can improve the effective mass as compared with the clathrate compound using Ga as M in the composition formula (1). Therefore, the clathrate compound 1 can improve the figure of merit ZT.

クラスレート化合物1において、xの好ましい範囲は3≦x≦6であり、さらに好ましくは5≦x≦6である。   In the clathrate compound 1, the preferred range of x is 3 ≦ x ≦ 6, and more preferably 5 ≦ x ≦ 6.

本発明のクラスレート化合物2は、下記組成式(2)で表される。
yBa8-yxSi46-x (1≦x≦6、1≦y<8) (2)
(組成式(2)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
The clathrate compound 2 of the present invention is represented by the following composition formula (2).
A y Ba 8-y M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y <8) (2)
(In composition formula (2), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

組成式(2)において、x<1の領域では十分な熱電性能が得られないことがあり、x>6の領域では未反応物や副生成物が生じてしまう。   In the composition formula (2), in the region where x <1, sufficient thermoelectric performance may not be obtained, and in the region where x> 6, unreacted substances and by-products are generated.

組成式(2)におけるxの好ましい範囲は、3≦x≦6であり、さらに好ましくは5≦x≦6である。   A preferable range of x in the composition formula (2) is 3 ≦ x ≦ 6, and more preferably 5 ≦ x ≦ 6.

組成式(2)において、y<1の領域では結晶性が低下し、y>8の領域では異なる結晶構造となり十分な熱電特性が得られない。   In the composition formula (2), the crystallinity is lowered in the region of y <1 and the crystal structure is different in the region of y> 8, and sufficient thermoelectric characteristics cannot be obtained.

組成式(2)におけるyの好ましい範囲は、1≦y≦3である。   A preferable range of y in the composition formula (2) is 1 ≦ y ≦ 3.

クラスレート化合物2において、Aで表される希土類元素の中でも、La、Ce、Yb、Luが好ましく、特にLa、Ceが好ましい。   In the clathrate compound 2, among the rare earth elements represented by A, La, Ce, Yb, and Lu are preferable, and La and Ce are particularly preferable.

クラスレート化合物2は、クラスレート化合物1のBaの一部を希土類元素に元素置換したものである。これにより、クラスレート化合物2の有効質量及びバンドギャップをクラスレート化合物1のそれよりも向上させることができる。   The clathrate compound 2 is obtained by substituting a part of Ba of the clathrate compound 1 with a rare earth element. Thereby, the effective mass and band gap of the clathrate compound 2 can be improved more than that of the clathrate compound 1.

一般に熱電変換材料は、バンドギャップが大きいほどゼーベック係数αがピークとなる温度が高温側に移動する性質を有する。バンドギャップが増大することで性能指数ZTが最適となるTが大きくなり、性能指数ZTの値も大きくなる。   In general, the thermoelectric conversion material has a property that the temperature at which the Seebeck coefficient α peaks increases as the band gap increases. As the band gap increases, the T at which the figure of merit ZT is optimal increases, and the value of the figure of merit ZT also increases.

バンドギャップが大きくなるほどゼーベック係数のピーク温度が大きくなる理由は、下記による。まず、価電子帯から伝導帯へ熱的に多くの電子が励起される状況では、価電子帯と伝導帯からの寄与が強く打ち消し合う結果、ゼーベック係数の低下が起きる。従って、バンドギャップが大きくなるとその打ち消し合いがより高温で起きることになるのでピーク温度が大きくなる。   The reason why the peak temperature of the Seebeck coefficient increases as the band gap increases is as follows. First, in the situation where many electrons are thermally excited from the valence band to the conduction band, the contribution from the valence band and the conduction band strongly cancel each other, resulting in a decrease in the Seebeck coefficient. Therefore, when the band gap is increased, the cancellation occurs at a higher temperature, so that the peak temperature is increased.

本発明のクラスレート化合物3は、下記組成式(3)で表される。
yBa8-yzGe46-z (1≦y<8、1≦z≦6) (3)
(組成式(3)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
The clathrate compound 3 of the present invention is represented by the following composition formula (3).
A y Ba 8-y M z Ge 46-z (1 ≦ y <8, 1 ≦ z ≦ 6) (3)
(In composition formula (3), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)

組成式(3)において、y<1の領域では結晶性の低下を招き十分な熱電性能が得られないことがある。y>8の領域では、未反応物や副生成物により、クラスレート化合物が生成できないため、十分な熱電性能が得られない。   In the composition formula (3), in the region of y <1, the crystallinity is lowered and sufficient thermoelectric performance may not be obtained. In the region of y> 8, a clathrate compound cannot be generated due to unreacted substances and by-products, and thus sufficient thermoelectric performance cannot be obtained.

組成式(3)におけるyの好ましい範囲は、1≦y≦3である。   A preferable range of y in the composition formula (3) is 1 ≦ y ≦ 3.

組成式(3)において、z<1の領域では結晶性の低下、z>6では未反応物や副生成物により、クラスレート化合物が生成できないため、十分な熱電性能が得られない。   In the composition formula (3), the crystallinity is lowered in the region of z <1, and in the case of z> 6, the clathrate compound cannot be generated due to unreacted substances or by-products, so that sufficient thermoelectric performance cannot be obtained.

組成式(3)におけるzの好ましい範囲は、3≦z≦6であり、さらに好ましくは5≦z≦6である。   A preferable range of z in the composition formula (3) is 3 ≦ z ≦ 6, and more preferably 5 ≦ z ≦ 6.

クラスレート化合物3において、Aで表される希土類元素の中でも、La、Ce、Yb、Luが好ましく、特にLa、Ceが好ましい。   In the clathrate compound 3, among the rare earth elements represented by A, La, Ce, Yb, and Lu are preferable, and La and Ce are particularly preferable.

クラスレート化合物3は、クラスレート化合物2のSiをGeに変更したものである。Ge系クラスレート化合物においても、希土類元素の添加によりバンドギャップの向上を実現できる。   The clathrate compound 3 is obtained by changing the Si of the clathrate compound 2 to Ge. Even in a Ge-based clathrate compound, the band gap can be improved by adding rare earth elements.

<クラスレート化合物の製造方法>
本発明のクラスレート化合物は、該クラスレート化合物を構成する構成元素を溶融させる溶融工程を経て製造することができるが、この方法に限定されるものではない。溶融温度としては、1000〜1500℃が好ましく、1000〜1400℃がさらに好ましく、1200〜1400℃が特に好ましい。また、溶融時間としては、10〜100分が好ましく10〜60分がさらに好ましく、20〜60分が特に好ましい。溶融方法としては、アーク溶解法、高周波加熱法等を用いることができる。
<Method for producing clathrate compound>
The clathrate compound of the present invention can be produced through a melting step of melting the constituent elements constituting the clathrate compound, but is not limited to this method. As a melting temperature, 1000-1500 degreeC is preferable, 1000-1400 degreeC is more preferable, 1200-1400 degreeC is especially preferable. The melting time is preferably 10 to 100 minutes, more preferably 10 to 60 minutes, and particularly preferably 20 to 60 minutes. As a melting method, an arc melting method, a high-frequency heating method, or the like can be used.

本発明のクラスレート化合物の製造においては、前記溶融工程後にアニール処理を行ってもよい。アニール処理の処理時間は100時間以上が好ましく、150〜200時間がさらに好ましい。アニール処理の処理温度は、950〜1350℃が好ましく、1100〜1300℃がさらに好ましい。   In the production of the clathrate compound of the present invention, an annealing treatment may be performed after the melting step. The treatment time for the annealing treatment is preferably 100 hours or more, and more preferably 150 to 200 hours. The annealing temperature is preferably 950 to 1350 ° C, and more preferably 1100 to 1300 ° C.

<熱電変換素子>
本発明の熱電変換素子は、本発明のクラスレート化合物の焼結体である。本発明の熱電変換素子は、本発明のクラスレート化合物を微粒子にする微粒子化工程と、前記微粒子化工程で得られた微粒子を焼結する焼結工程とを経て製造することができるが、この方法に限定されるものではない。
<Thermoelectric conversion element>
The thermoelectric conversion element of the present invention is a sintered body of the clathrate compound of the present invention. The thermoelectric conversion element of the present invention can be produced through a fine particle forming step of forming the clathrate compound of the present invention into fine particles and a sintering step of sintering the fine particles obtained in the fine particle forming step. The method is not limited.

前記微粒子化工程においては、ボールミルや乳鉢等を用いてクラスレート化合物を粉砕することにより微粒子を得ることができる。前記微粒子の粒径としては、150μm以下が好ましく、90μm以下がさらに好ましい。また、真空中でクラスレート化合物の蒸気を発生させ、前記蒸気を高圧の不活性ガスで吹き飛ばすことにより微粒子を得る、いわゆるフローイングガスエバポレーション法を用いることができる。フローイングガスエバポレーション法の詳細は、特公平5−9483号公報等に詳しい。前記焼結工程においては、放電プラズマ焼結法、ホットプレス焼結法、熱間等方圧加圧焼結法等を用いて微粒子を焼結することができる。   In the fine particle formation step, fine particles can be obtained by pulverizing the clathrate compound using a ball mill or a mortar. The particle diameter of the fine particles is preferably 150 μm or less, and more preferably 90 μm or less. Further, a so-called flowing gas evaporation method can be used in which a vapor of a clathrate compound is generated in a vacuum and the vapor is blown off with a high-pressure inert gas to obtain fine particles. Details of the flowing gas evaporation method are described in Japanese Patent Publication No. 5-9483. In the sintering step, the fine particles can be sintered using a discharge plasma sintering method, a hot press sintering method, a hot isostatic pressing method, or the like.

放電プラズマ焼結法を用いる場合の焼結条件としては、温度は650〜950℃が好ましく、700〜900℃がより好ましい。焼結時間は、20〜120分が好ましく、30〜90分がより好ましい。圧力は、25〜40MPaが好ましく、30〜40MPaがより好ましい。   As a sintering condition in the case of using the discharge plasma sintering method, the temperature is preferably 650 to 950 ° C, and more preferably 700 to 900 ° C. The sintering time is preferably 20 to 120 minutes, more preferably 30 to 90 minutes. The pressure is preferably 25 to 40 MPa, more preferably 30 to 40 MPa.

本発明のクラスレート化合物の生成は、X線回折により確認することができる。具体的には、焼成後のサンプルがX線回折によりクラスレート相のみを示すものであれば、クラスレート化合物が合成されたことが確認できる。   The formation of the clathrate compound of the present invention can be confirmed by X-ray diffraction. Specifically, if the sample after firing shows only the clathrate phase by X-ray diffraction, it can be confirmed that the clathrate compound has been synthesized.

以下、本発明を、実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
[実施例1]
クラスレート化合物1において、M=Cu、Ag、Au;x=6のときのバンドギャップと有効質量とを計算した。比較対象として、Ba8Ga16Si30についてもバンドギャップと有効質量とを計算した。電子構造の計算にはWIEN2kコードを用いた。このコードではAPW+local orbital法に基づくFLAPW法が用いられている。Muffin−tin半径は、Ba:1.59Å、Cu:1.26Å、Ag,Au:1.27Å、Si:1.11Å及びGa:1.22Åとした。また、交換相間相互作用はPerdew−Burke−Ernzerrofによる数式を用いた。FLAPW法についてはSolid State Comm. 114、15(2000)に、また、Perdew−Burke−Ernzerrofによる数式についてはPhys. Rev. B45、3865(1996)に詳しい。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited by the following Example.
[Example 1]
In clathrate compound 1, the band gap and effective mass when M = Cu, Ag, Au; x = 6 were calculated. As a comparison object, the band gap and effective mass were also calculated for Ba 8 Ga 16 Si 30 . The WIEN2k code was used to calculate the electronic structure. In this code, the FLAPW method based on the APW + local orbital method is used. Muffin-tin radii were Ba: 1.59 mm, Cu: 1.26 mm, Ag, Au: 1.27 mm, Si: 1.11 mm and Ga: 1.22 mm. Further, the interaction between exchange phases used a formula by Perdew-Burke-Ernzerrof. For the FLAPW method, see Solid State Comm. 114, 15 (2000), and for the mathematical expression by Perdew-Burke-Ernzerrof, see Phys. Rev. B45, 3865 (1996).

電子構造の計算からM点近傍で伝導電子帯が最小となるバンド構造を得た。このM点近傍でのバンドを下記式(G)で近似した。   From the calculation of the electronic structure, a band structure in which the conduction electron band is minimized in the vicinity of the M point was obtained. The band near the point M was approximated by the following formula (G).

Ek = (p2/2m) + Eg (G) Ek = (p 2 / 2m) + Eg (G)

ここで、EkはM点近傍での電子の全エネルギーを表し、Egはバンドギャップを表し、mは有効質量を表し、pは運動量を表す。   Here, Ek represents the total energy of electrons near the M point, Eg represents a band gap, m represents an effective mass, and p represents momentum.

式(G)を用いて電子構造計算の結果が合うように有効質量とバンドギャップとを求めた。得られた計算結果を表1に示す。   Using formula (G), the effective mass and the band gap were determined so that the results of the electronic structure calculation would match. The obtained calculation results are shown in Table 1.

Figure 2006057124
Figure 2006057124

表1から、Gaを用いたクラスレート化合物よりもCu、Ag及びAuを用いたクラスレート化合物1のほうが有効質量が大きいことがわかる。   From Table 1, it can be seen that the clathrate compound 1 using Cu, Ag and Au has a larger effective mass than the clathrate compound using Ga.

[実施例2]
クラスレート化合物2であるLa2Ba6Au6Si40の有効質量を実施例1と同様の方法で計算した。この場合のLaのMuffin−tin半径は1.59Åとした。また、La2Ba6Au6Si40のバンドギャップについても計算した。バンドギャップは有効質量と同様、WIEN2kコードを用いて計算した。その結果をクラスレート化合物1であるBa8Au6Si40の結果とともに表2に示す。
[Example 2]
The effective mass of La 2 Ba 6 Au 6 Si 40 which is clathrate compound 2 was calculated in the same manner as in Example 1. In this case, the La Muffin-tin radius was 1.59 mm. The band gap of La 2 Ba 6 Au 6 Si 40 was also calculated. The band gap was calculated using the WIEN2k code as well as the effective mass. The results are shown in Table 2 together with the results of Ba 8 Au 6 Si 40 which is clathrate compound 1.

Figure 2006057124
Figure 2006057124

表2から明らかなように希土類元素を添加することにより、有効質量及びバンドギャップを向上させることができることがわかる。   As is clear from Table 2, it is understood that the effective mass and the band gap can be improved by adding rare earth elements.

[実施例3]
クラスレート化合物3であるLa2Ba6Au6Ge40のバンドギャップを実施例2と同様の方法により計算した。比較対象として、Ba8Au6Ge40についてもバンドギャップを計算した。この場合のGeのMuffin−tin半径は1.22Åとした。その結果を表3に示す。
[Example 3]
The band gap of La 2 Ba 6 Au 6 Ge 40 which is clathrate compound 3 was calculated by the same method as in Example 2. As a comparison object, the band gap was also calculated for Ba 8 Au 6 Ge 40 . In this case, the Ge Muffin-tin radius was 1.22 mm. The results are shown in Table 3.

Figure 2006057124
Figure 2006057124

表3から明らかなように、Ge系クラスレート化合物においても、希土類元素の添加によりバンドギャップを向上させることができることがわかる。   As can be seen from Table 3, the band gap can also be improved by adding rare earth elements in the Ge-based clathrate compounds.

Claims (6)

下記組成式(1)で表されるクラスレート化合物。
Ba8xSi46-x (1≦x≦6) (1)
(組成式(1)において、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Ba 8 M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6) (1)
(In composition formula (1), M represents Cu, Ag, or Au.)
下記組成式(2)で表されるクラスレート化合物。
yBa8-yxSi46-x (1≦x≦6、1≦y<8) (2)
(組成式(2)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A clathrate compound represented by the following composition formula (2).
A y Ba 8-y M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y <8) (2)
(In composition formula (2), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)
下記組成式(3)で表されるクラスレート化合物。
yBa8-yzGe46-z (1≦y<8、1≦z≦6) (3)
(組成式(3)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A clathrate compound represented by the following composition formula (3).
A y Ba 8-y M z Ge 46-z (1 ≦ y <8, 1 ≦ z ≦ 6) (3)
(In composition formula (3), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)
下記組成式(1)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子。
Ba8xSi46-x (1≦x≦6) (1)
(組成式(1)において、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (1).
Ba 8 M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6) (1)
(In composition formula (1), M represents Cu, Ag or Au.)
下記組成式(2)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子。
yBa8-yxSi46-x (1≦x≦6、1≦y<8) (2)
(組成式(2)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (2).
A y Ba 8-y M x Si 46-x (1 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y <8) (2)
(In composition formula (2), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)
下記組成式(3)で表されるクラスレート化合物の焼結体である熱電変換素子。
yBa8-yzGe46-z (1≦y<8、1≦z≦6) (3)
(組成式(3)において、Aは希土類元素を表し、MはCu、Ag又はAuを表す。)
A thermoelectric conversion element which is a sintered body of a clathrate compound represented by the following composition formula (3).
A y Ba 8-y M z Ge 46-z (1 ≦ y <8, 1 ≦ z ≦ 6) (3)
(In composition formula (3), A represents a rare earth element, and M represents Cu, Ag, or Au.)
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010118632A (en) * 2008-11-13 2010-05-27 Korea Electrotechnology Research Inst Thermoelectric material for lower and medium temperature
WO2015039161A1 (en) 2013-09-20 2015-03-26 Technische Universität Wien Intermetallic clathrate compounds
AT514908A1 (en) * 2013-09-20 2015-04-15 Tech Universität Wien Intermetallic clathrate compounds
JP2016213373A (en) * 2015-05-12 2016-12-15 古河電気工業株式会社 Clathrate compound, thermoelectric conversion material, and method for manufacturing the same
JP2017178720A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 東ソー株式会社 Barium silicide bulk polycrystalline body and application thereof
JP2018046090A (en) * 2016-09-13 2018-03-22 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
WO2018225823A1 (en) 2017-06-09 2018-12-13 国立大学法人九州大学 Semiconductor substrate and method for producing same, substrate, and laminate
JP2021072399A (en) * 2019-10-31 2021-05-06 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
CN115667559A (en) * 2020-05-19 2023-01-31 东曹株式会社 Silicide-based alloy material and element using the same
WO2023162844A1 (en) * 2022-02-24 2023-08-31 東ソー株式会社 Silicon alloy, and thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module including same

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010118632A (en) * 2008-11-13 2010-05-27 Korea Electrotechnology Research Inst Thermoelectric material for lower and medium temperature
AT514911B1 (en) * 2013-09-20 2018-08-15 Univ Wien Tech Intermetallic clathrate compounds
WO2015039161A1 (en) 2013-09-20 2015-03-26 Technische Universität Wien Intermetallic clathrate compounds
AT514908A1 (en) * 2013-09-20 2015-04-15 Tech Universität Wien Intermetallic clathrate compounds
AT514911A3 (en) * 2013-09-20 2018-08-15 Univ Wien Tech Intermetallic clathrate compounds
JP2016213373A (en) * 2015-05-12 2016-12-15 古河電気工業株式会社 Clathrate compound, thermoelectric conversion material, and method for manufacturing the same
JP2017178720A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 東ソー株式会社 Barium silicide bulk polycrystalline body and application thereof
JP2018046090A (en) * 2016-09-13 2018-03-22 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
WO2018225823A1 (en) 2017-06-09 2018-12-13 国立大学法人九州大学 Semiconductor substrate and method for producing same, substrate, and laminate
US11217739B2 (en) 2017-06-09 2022-01-04 Kyushu University, National University Corporation Semiconductor substrate and method for producing same, substrate, and laminate
JP2021072399A (en) * 2019-10-31 2021-05-06 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
JP7367928B2 (en) 2019-10-31 2023-10-24 古河電気工業株式会社 Thermoelectric conversion material and its manufacturing method
CN115667559A (en) * 2020-05-19 2023-01-31 东曹株式会社 Silicide-based alloy material and element using the same
CN115667559B (en) * 2020-05-19 2024-03-29 东曹株式会社 Silicide alloy material and element using the same
WO2023162844A1 (en) * 2022-02-24 2023-08-31 東ソー株式会社 Silicon alloy, and thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module including same

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