JP2008543110A - 熱電組成物及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)第1のカルコゲニドの液体溶液又は液体化合物及び異なる組成を有する第2の相を形成させるステップ、
(b)溶液を急速に冷却するステップであって、マトリックスとしての第1のカルコゲニドの固溶体及びナノスケール内包物としての第2の相が形成され、その結果、性能指数が内包物を含まないものより大きいステップであって、好ましくは、内包物は、組成物を、均質な固溶体の相図に基づいた融点よりも低い、ある適切な温度においてアニーリングした結果としてのスピノーダル分解によって形成される。好ましくは、内包物は、マトリックスの溶融溶液を冷却することによるマトリックスカプセル化によって形成される。好ましくは、内包物は、マトリックスの過飽和固溶体における内包物の核生成及び成長によって形成される。好ましくは、カルコゲニドは、テルル、イオウ及びセレンから成る群から選択されるカルコゲンを有する。好ましくは、内包物は約1〜200ナノメートルである。
スピノーダル分解とは、2相からなる安定な1相混合物を不安定にすることができる方法のことである。熱力学的には、不均一相が安定性又は準安定性のための必要条件は、ある成分の化学ポテンシャルがその成分の濃度の増加と共に増加しなければならないということである。2成分については、この条件は、
に帰し、Xは濃度である。この条件が満たされない場合は、混合物は連続的な組成変化に対して不安定であり、この準安定性の限度はスピノーダルと呼ばれて、
で定義され、Xは濃度である。混合相系の両成分は同じ格子を共有しているので、スピノーダルなゆらぎには、結晶転換は関与せず、ナノスケールでの局所的組成の空間的変化が関与する。この空間的変化は、熱電マトリックス中にコヒーレントに埋め込まれたある相のナノ粒子を作るために、したがって大きな反応規模でナノ構造の熱電材料を作るために利用された。
PbTe−PbS x%2成分系のスピノーダル分解は、−4≦x≦96%については約700℃未満の温度で起こる(添付の図3の相図を参照されたい)。高純度の出発材料を、王水で清浄化した溶融シリカ管中で混合してから、図3Bに示す反応プロファイルに従って焼く。
これらの系は、相図によって表されているように、少量相が約0.1〜15%の組成範囲で組成物中の固溶体を有していなければならない。しかし、これらの系は、溶融物からクエンチされた場合に、少量相材料のナノメートルスケールでの内包物を示すことが観察された。この現象は、マトリックスが良好な熱電性であり、少量相は反応性がなく、より低い融点を有し、且つ液体状態でマトリックスと可溶な材料である、熱電的な関心のある他の系に拡大することができる。少量相はまた、それ自身が化合物を形成することができるか又はできない、これらの反応性のない材料の2つ以上の混合物であってもよい。これらの材料は、少量相を凍結させるために、マトリックスの融点を通過して速やかにクエンチしなければならない。クエンチした後は、サンプルを後アニールして、結晶性及び熱電特性を向上させなければならない。
実施例:この方法をPbTe−Sb、PbTe−Bi、PbTe−InSb及びPbTe−Pb−Sbに適用し、それぞれの事例で有望であることを示した。
テルル化鉛及びアンチモニーを適切なモル比で組み合わせて、真空にした溶融シリカの管に封入し、図4Bに示すプロファイルに従って加熱した。明視野画像及び暗視野画像を図4C〜4Eに示す。カプセル化されたナノ粒子のTEM画像を、図4F〜4Kに示す。図4Lは、格子熱伝導度を示す。
Pb、Sb、及びTeは、真空にした溶融シリカ管中に封入して、溶融状態まで加熱した。次いで、管を溶融物の急冷のために高温炉から取り出した。この手順は上で論じたものと同様であるが、単一成分の内包物ではなく、複数のナノ沈殿物の内包物相を使用した。多くのさまざまな使用可能な内包物の組合せがありうるが、一例のPbTe−Pb−Sbを下に示す。
熱電材料のマトリックス内部でのナノ粒子の核生成及び成長の方法は、複合材料の相図に決定的に依存する3つの異なる熱処理から成る。
a)(適切な化学量論比で混合された)出発材料を、相図の2相領域から1相領域まで加熱して、すべての沈殿物を溶解させる。混合物をそこで数時間保ち、完全な均一性を確実にする。
b)溶融物又は固溶体を、さまざまな方法(空気クエンチ、水クエンチ、氷クエンチ)を使用して、室温までクエンチする。これは高温の均一相を凍結して過飽和固溶体にする。
c)個々の系の動力学に応じて、試料を相図の2相領域内の高められた温度で後アニールし、そこで数時間保持して、ナノ沈殿物を形成させ成長させる。アニールする時間及び温度は沈殿物のサイズの成長と比例する。したがって、アニールする時間及び温度の注意深い選択によってナノ沈殿物のサイズを制御することができる。
PbTe−CdTe x%調製の実施例
2≦x≦9のx%を目標にして化学量論量のPb、Te及びCdを秤量する。出発材料をグラファイトのるつぼに入れ、続いて高真空下でシリカ管中に封入してから、後に示す反応プロファイル(図9E)に従って焼く。この反応プロファイルはPbTe−CdTe系の相図(図9D)に基づいて決定されている。図9F及び9Gは、PbS−PbTe 6%の沈殿及び成長に関するTEM画像を示す。図9H及び9Iは、PbTe−CdTe 9%系を示す。
Claims (19)
- 異なる組成を有する第2の相のナノスケール内包物をマトリックスにもたらす、第1のカルコゲニドの均一な固溶体又は化合物を含む熱電組成物であって、前記組成物の性能指数(ZT)が内包物を含まないものよりも大きい、熱電組成物。
- 前記内包物が、相図に基づく前記均一な固溶体の融点より低い適切な温度で前記組成物をアニーリングした結果、スピノーダル分解によって形成されたものである、請求項1に記載の組成物。
- 前記内包物が、前記マトリックスの溶融溶液をドーピングした結果、マトリックスのカプセル化によって形成されたものである、請求項1に記載の組成物。
- 前記内包物が、前記マトリックスの溶融溶液を冷却することによる内包物の核生成及び成長によって形成されたものである、請求項1に記載の組成物。
- 1種又は複数種のナノ粒子の均一な沈殿分散物を含んだカルコゲニドの均一な固溶体又は化合物を含み、カルコゲンがテルル、イオウ及びセレンから成る群から選択される、熱電組成物。
- 前記固溶体のスピノーダル分解によって形成されたものである、請求項5に記載の組成物。
- 前記内包物が、前記マトリックスの溶融溶液をドーピングした結果、マトリックスカプセル化によって形成されたものである、請求項5に記載の組成物。
- 前記内包物が、前記マトリックスの溶融溶液を冷却することによる内包物の核生成及び成長によって形成されたものである、請求項5に記載の組成物。
- カルコゲニドに添加された金属又は半導体から得られる分散ナノ粒子を有するカルコゲニドの均一な固溶体又は化合物を含む熱電組成物。
- 固溶体又は化合物とは異なる組成のナノ粒子の形成を可能にする温度でアニールされた、カルコゲニドの均一な前記固溶体を含む熱電組成物。
- (a)第1のカルコゲニドの液体溶液又は液体化合物及び異なる組成を有する第2の相を形成させるステップと、
(b)前記溶液を急速に冷却するステップであって、それによりマトリックスとしての第1のカルコゲニドの固溶体及びナノスケール内包物としての第2のカルコゲニド相が形成され、その結果、性能指数が内包物を含まないものより大きいステップと
を含む、熱電組成物の調製方法。 - 前記内包物が、前記均一な固溶体の融点より低い適切な温度で前記組成物をアニーリングした結果、スピノーダル分解によって形成される、請求項11に記載の方法。
- 前記内包物が、前記マトリックスの溶融溶液冷却のドーピングの結果、マトリックスのカプセル化によって形成される、請求項11に記載の方法。
- 前記内包物が、前記マトリックスの過飽和固溶体における内包物の核生成及び成長によって形成される、請求項11に記載の方法。
- 前記カルコゲニドがテルル、イオウ及びセレンから成る群から選択されるカルコゲンでできる、請求項11に記載の方法。
- 前記内包物が、約1〜200ナノメートルである、請求項11に記載の方法。
- それぞれ異なる化学組成を有する2つ以上の内包物が存在する、請求項1、2、3又は4のいずれか一項に記載の組成物。
- それぞれ異なる化学組成を有する2つ以上の内包物が存在する、請求項5、6、7、8、9又は10のいずれか一項に記載の組成物。
- それぞれ異なる化学組成を有する2つ以上の内包物が存在する、請求項11、12、13、14、15又は16のいずれか一項に記載の方法。
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