JP2009111357A - Thermoelectric material and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電材料及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、ハーフホイスラー化合物を主成分とする熱電材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric material and a manufacturing method thereof, and more particularly to a thermoelectric material mainly composed of a half-Heusler compound and a manufacturing method thereof.
熱電変換とは、ゼーベック効果やペルチェ効果を利用して、電気エネルギーを冷却や加熱のための熱エネルギーに、また逆に熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することをいう。熱電変換は、
(1)エネルギー変換の際に余分な老廃物を排出しない、
(2)排熱の有効利用が可能である、
(3)材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる、
(4)モータやタービンのような可動装置が不要であり、メンテナンスの必要がない、
等の特徴を有していることから、エネルギーの高効率利用技術として注目されている。
Thermoelectric conversion refers to the direct conversion of electrical energy into thermal energy for cooling and heating, and conversely, thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect and Peltier effect. Thermoelectric conversion
(1) Do not discharge excess waste during energy conversion,
(2) Effective use of exhaust heat is possible.
(3) It can continuously generate power until the material deteriorates.
(4) No moving devices such as motors and turbines are required and maintenance is not required.
Therefore, it has been attracting attention as a highly efficient energy utilization technology.
熱エネルギと電気エネルギとを相互に変換できる材料、すなわち、熱電材料の特性を評価する指標としては、一般に、性能指数Z(=S2σ/κ、但し、S:ゼーベック係数、σ:電気伝導度、κ:熱伝導度)、又は、性能指数Zと、その値を示す絶対温度Tの積として表される無次元性能指数ZTが用いられる。ゼーベック係数は、1Kの温度差によって生じる起電力の大きさを表す。熱電材料は、それぞれ固有のゼーベック係数を持っており、ゼーベック係数が正であるもの(p型)と、負であるもの(n型)に大別される。 As an index for evaluating the characteristics of heat energy and electric energy, that is, the characteristics of the thermoelectric material, generally, the figure of merit Z (= S 2 σ / κ, where S: Seebeck coefficient, σ: electric conduction Degree, κ: thermal conductivity), or a dimensionless figure of merit ZT expressed as a product of the figure of merit Z and the absolute temperature T indicating the value. The Seebeck coefficient represents the magnitude of electromotive force generated by a temperature difference of 1K. Thermoelectric materials each have their own Seebeck coefficient, and are broadly classified into those having a positive Seebeck coefficient (p-type) and those having a negative Seebeck coefficient (n-type).
また、熱電材料は、通常、p型の熱電材料とn型の熱電材料とを接合した状態で使用される。このような接合対は、一般に、「熱電素子」と呼ばれている。熱電素子の性能指数は、p型熱電材料の性能指数Zp、n型熱電材料の性能指数Zn、並びに、p型及びn型熱電材料の形状に依存し、また、形状が最適化されている場合には、Zp及び/又はZnが大きくなるほど、熱電素子の性能指数が大きくなることが知られている。従って、性能指数の高い熱電素子を得るためには、性能指数Zp、Znの高い熱電材料を用いることが重要である。 The thermoelectric material is usually used in a state where a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are joined. Such a junction pair is generally called a “thermoelectric element”. The performance index of the thermoelectric element depends on the performance index Z p of the p- type thermoelectric material, the performance index Z n of the n-type thermoelectric material, and the shape of the p-type and n-type thermoelectric materials, and the shape is optimized If you are the greater the Z p and / or Z n, the figure of merit of the thermoelectric element increases is known. Therefore, in order to obtain a high figure of merit thermoelectric device, the figure of merit Z p, be used with high Z n thermoelectric material is important.
このような熱電材料としては、
(1)Bi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系等の化合物半導体、
(2)NaxCoO2(0.3≦x≦0.8)、(ZnO)mIn2O3(1≦m≦19)、Ca3Co4O9等のCo系酸化物セラミックス、
(3)Zn−Sb系、Co−Sb系、Fe−Sb系等のスクッテルダイト化合物、
(4)ZrNiSn等のハーフホイスラー化合物、などが知られている。
As such a thermoelectric material,
(1) Bi-Te-based, Pb-Te-based, Si-Ge-based compound semiconductors,
(2) Co-based oxide ceramics such as Na x CoO 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.8), (ZnO) m In 2 O 3 (1 ≦ m ≦ 19), Ca 3 Co 4 O 9 ,
(3) a skutterudite compound such as Zn—Sb, Co—Sb, or Fe—Sb,
(4) Half-Heusler compounds such as ZrNiSn are known.
これらの内、Bi−Te系、Pb−Te系の化合物半導体は、低温域では高いZTを示すが、中・高温域では使用できず、かつ、Pb、Te、Sb等の環境負荷の大きい元素を多量に含むという問題がある。また、Ge−Si系の化合物半導体は、600℃以下の中・低温域での特性が低い(ZT<0.5)。さらに、Co系酸化物セラミックスは、高温域でも使用でき、単結晶ではZT>1という報告もあるが、バルク材料では、ZT<0.5にとどまっている。 Among these, Bi-Te-based and Pb-Te-based compound semiconductors exhibit high ZT in the low temperature range, but cannot be used in the middle / high temperature range, and have a large environmental load such as Pb, Te, Sb, etc. There is a problem of containing a large amount. Further, Ge—Si-based compound semiconductors have low characteristics in the middle / low temperature range of 600 ° C. or lower (ZT <0.5). Further, Co-based oxide ceramics can be used even in a high temperature range, and there is a report that ZT> 1 in a single crystal, but ZT <0.5 in a bulk material.
スクッテルダイト化合物は、中・低温域において相対的に高い熱電特性を示すp型熱電材料である。また、ある種のスクッテルダイト化合物は、527℃(800K)においてZT>1となることが知られている。例えば、自動車の排ガス温度は約800Kであるので、このようなスクッテルダイト化合物を使用した熱電素子を用いれば、高効率の排熱回収システムを得ることも可能になると期待されている。 The skutterudite compound is a p-type thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range. Further, it is known that certain skutterudite compounds have ZT> 1 at 527 ° C. (800 K). For example, since the exhaust gas temperature of an automobile is about 800K, it is expected that a highly efficient exhaust heat recovery system can be obtained by using such a thermoelectric element using a skutterudite compound.
さらに、n型ハーフホイスラー化合物は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示すn型熱電材料である。ここで、「ハーフホイスラー化合物」とは、ホイスラー合金Cu2AlMnのCuサイト原子の半分が欠損した構造を持つ一連の化合物をいう。n型ハーフホイスラー化合物は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示すので、スクッテルダイト化合物と組み合わせて使用する相手材の候補材料の1つと考えられている。
しかしながら、中・低温域において高い熱電特性を示すスクッテルダイト化合物の多くは、Sb等の環境負荷の大きい元素を多量に含むという問題がある。そのため、環境負荷の大きい元素の含有量が相対的に少なく、かつ、中・低温域で高い熱電特性を示すp型熱電材料が望まれている。
これに対し、ハーフホイスラー化合物は、環境負荷元素を多量に含まないものが多い。また、n型ハーフホイスラー化合物は、極めて高い熱電特性を有している。そのため、n型ハーフホイスラー化合物と組み合わせて用いるp型熱電材料として、熱電特性の高いp型ハーフホイスラー化合物を用いれば、環境負荷が小さく、かつ高性能な熱電素子が得られる可能性がある。しかしながら、n型ハーフホイスラー化合物と対になるp型ハーフホイスラー化合物の報告はあまりない。
Furthermore, the n-type half-Heusler compound is an n-type thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range. Here, the “half-Heusler compound” refers to a series of compounds having a structure in which half of the Cu site atoms of the Heusler alloy Cu 2 AlMn are lost. Since the n-type half-Heusler compound exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range, it is considered as one of the candidate materials for the partner material used in combination with the skutterudite compound.
However, many of the skutterudite compounds exhibiting high thermoelectric properties in the middle / low temperature range have a problem that they contain a large amount of elements having a large environmental load such as Sb. Therefore, there is a demand for a p-type thermoelectric material that has a relatively low content of elements with a large environmental load and that exhibits high thermoelectric properties in the middle / low temperature range.
In contrast, many half-Heusler compounds do not contain a large amount of environmentally hazardous elements. Further, the n-type half-Heusler compound has extremely high thermoelectric properties. Therefore, if a p-type half-Heusler compound having high thermoelectric properties is used as the p-type thermoelectric material used in combination with the n-type half-Heusler compound, there is a possibility that a high-performance thermoelectric element having a low environmental load may be obtained. However, there are few reports of p-type half-Heusler compounds that are paired with n-type half-Heusler compounds.
p型ハーフホイスラー化合物の報告例としては、以下のようなものがある。
例えば、非特許文献1には、
(1) 構成元素をAr中においてアーク溶解し、
(2) 均質化のために鋳塊を少なくとも5回再溶解し、
(3) 得られた鋳塊を粉砕して粉末とし、粉末をSPS焼結させ、
(4) 得られた試料を1173Kで1週間アニール処理すること、
により得られるTiCoSnxSb1-x(x=0.01、0.05)が開示されている。
同文献には、
(a) アニール処理された試料において、Snをドープすることにより、室温における電気比抵抗が増大する点、
(b) アニール処理されたx=0.05の試料の場合、400K付近において、ゼーベック係数Sが負から正に転じ、843Kにおいて、ゼーベック係数Sは最大値(+222.7μV/K)になる点、及び、
(c) p型熱電材料(x=0.05)の無次元性能指数ZTの最大値は、0.03(988K)である点、
が記載されている。
Examples of reported p-type half-Heusler compounds include:
For example, in Non-Patent Document 1,
(1) A constituent element is arc-melted in Ar,
(2) Remelt the ingot at least 5 times for homogenization,
(3) The obtained ingot is pulverized into powder, and the powder is SPS sintered.
(4) Annealing the obtained sample at 1173K for 1 week;
Discloses TiCoSn x Sb 1-x (x = 0.01, 0.05).
In the same document,
(A) The point that the electrical resistivity at room temperature is increased by doping Sn in the annealed sample,
(B) In the case of the annealed sample of x = 0.05, the Seebeck coefficient S changes from negative to positive at around 400K, and the Seebeck coefficient S reaches the maximum value (+222.7 μV / K) at 843K. ,as well as,
(C) The maximum value of the dimensionless figure of merit ZT of the p-type thermoelectric material (x = 0.05) is 0.03 (988K),
Is described.
また、非特許文献2には、構成元素をAr雰囲気中において誘導溶解させ、得られた試料をHe−水素中において650℃で1週間アニール処理することにより得られるFeVSb系ハーフホイスラー化合物が開示されている。
同文献には、
(a) TiドープFeVSbは室温におけるゼーベック係数Sが正となり、FeV0.95Ti0.05Sb組成でゼーベック係数が最大(+180μV/K)になる点、及び、
(b) ZrドープFeVSbは、Zr量が増加するに伴い、ゼーベック係数Sが負から正に転ずる点、
が記載されている。
Non-Patent
In the same document,
(A) Ti-doped FeVSb has a positive Seebeck coefficient S at room temperature, a maximum Seebeck coefficient (+180 μV / K) with an FeV 0.95 Ti 0.05 Sb composition, and
(B) The Zr-doped FeVSb has a point where the Seebeck coefficient S changes from negative to positive as the amount of Zr increases,
Is described.
また、非特許文献3には、金属片をAr雰囲気中でアーク溶解し、粉砕した後、SPS焼結し、真空中でアニール処理することにより得られるLaPdSb、GdPdSb、ErPdSb、LaPdBi、GdPdBi、及びErPdBiが開示されている。
同文献には、LaPdSbについて、420Kで最大のZT=0.28が得られる点が記載されている。
Non-Patent Document 3 discloses LaPdSb, GdPdSb, ErPdSb, LaPdBi, GdPdBi obtained by arc melting and pulverizing metal pieces in an Ar atmosphere, SPS sintering, and annealing in vacuum. ErPdBi is disclosed.
This document describes that the maximum ZT = 0.28 is obtained at 420 K for LaPdSb.
また、特許文献1には、秤量された原料をアーク溶解し、金属塊を1073Kで72時間熱処理し、金属塊を粉砕し、粉末を加圧焼結することにより得られる(Ti、Zr、Hf)CoSb系ハーフホイスラー化合物が開示されている。
同文献には、p型熱電材料として60個の(Y0.5Er0.5)Ni0.99Co0.01Sbを使用し、n型熱電材料として60個の{(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)0.997Ta0.003}CoSbを使用し、これらを直列に接続した熱電素子の場合において、高温側を570℃、低温側を55℃にしたときには、電圧:5.0V、電流:3.24A、電力:16.2Wが得られる点が記載されている。
Further, Patent Document 1 is obtained by arc-melting a weighed raw material, heat-treating the metal mass at 1073 K for 72 hours, pulverizing the metal mass, and pressure-sintering the powder (Ti, Zr, Hf). ) CoSb-based half-Heusler compounds are disclosed.
This document uses 60 (Y 0.5 Er 0.5 ) Ni 0.99 Co 0.01 Sb as p-type thermoelectric materials and 60 {(Ti 0.3 Zr 0.35 Hf 0.35 ) 0.997 Ta 0.003 } CoSb as n-type thermoelectric materials. When the high temperature side is 570 ° C. and the low temperature side is 55 ° C., the voltage is 5.0 V, the current is 3.24 A, and the power is 16.2 W. The point to be described is described.
また、非特許文献4には、RBiPt(R=Y、Nd、Tm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb)単結晶の電気伝導度が報告されている。
また、非特許文献5には、YNiBi、YbNiSb等の第一原理計算によるバンド構造が報告されている。
また、非特許文献6には、構成元素をAr雰囲気中でアーク溶解し、アニール処理することにより得られるRPdBi(R=Y、Dy、Ho、Er)が開示されている。
同文献には、RPdBiの室温におけるゼーベック係数Sは、40〜80μV/Kである点が記載されている。
Non-Patent
This document describes that the Seebeck coefficient S of RPdBi at room temperature is 40 to 80 μV / K.
さらに、非特許文献7には、
(1)アーク溶解法を用いてErPdX(x=Sb及びBi)インゴットを作製し、
(2)Sb及びBiのロスを補填した後、再度、アーク溶解し、
(3)得られたインゴットを均質化のために少なくとも5回再溶解し、
(4)試料を石英管に封入し、真空中において1173Kで1週間アニールし、
(5)試料を粉砕し、SPS焼結させる
ことにより得られるハーフホイスラー化合物が開示されている。
同文献には、
(a)ErPdSb及びErPdBiのいずれも、未知の不純物相を含む点、及び、
(b)ErPdSbの電気比抵抗ρ及びゼーベック係数Sは、ErPdBiより大きくなり、その出力因子は、室温より高い温度において、10μW/K2を超える点、
が記載されている。
Furthermore,
(1) An ErPdX (x = Sb and Bi) ingot is produced using an arc melting method,
(2) After compensating for the loss of Sb and Bi, arc melting again,
(3) redissolving the resulting ingot at least 5 times for homogenization,
(4) A sample is sealed in a quartz tube and annealed at 1173K in a vacuum for 1 week.
(5) A half-Heusler compound obtained by pulverizing a sample and subjecting it to SPS sintering is disclosed.
In the same document,
(A) both ErPdSb and ErPdBi contain an unknown impurity phase, and
(B) The electrical resistivity ρ and Seebeck coefficient S of ErPdSb are larger than ErPdBi, and the output factor exceeds 10 μW / K 2 at a temperature higher than room temperature,
Is described.
n型ハーフホイスラー化合物の中には、熱電特性が高いものが知られている。しかしながら、熱電素子の性能を向上させるためには、n型ハーフホイスラー化合物の熱電特性をさらに向上させることが望まれる。
これに対し、従来知られているp型ハーフホイスラー化合物は、一般に熱電特性が低いという問題がある。また、p型ハーフホイスラー化合物の多くは、有害なSbを含む。有害なSbを含まないp型ハーフホイスラー化合物としては、LaPdBi、GdPdBi、ErPdBiなどが報告されているが、高価なPdを多量に含むという問題がある。また、従来の方法で得られたBi系ハーフホイスラー化合物は、多くの異相を含んでおり、単相合金が合成された報告例はない。異相の存在は熱電材料の電気伝導度を増大させ、高い電気伝導度は熱伝導度を増大させるために、熱電性能が低下するという問題がある。
一方、RENiBi(REは、希土類元素)系化合物は、Niを主成分とするので安価であり、有害な元素も含まない。しかしながら、この系は、NiとREあるいはBiとの結合力が弱いために、耐酸化性及び安定性に問題点を有する。
さらに、ハーフホイスラー化合物は、一般にアーク熔解法あるいは高周波溶解法を用いて作製されている。しかしながら、Biは揮発性が高いので、Biを含むハーフホイスラー化合物を従来の方法で製造すると、組成の制御が困難であり、再現性や特性の劣化原因となりうる。
Among n-type half-Heusler compounds, those having high thermoelectric properties are known. However, in order to improve the performance of the thermoelectric element, it is desired to further improve the thermoelectric characteristics of the n-type half-Heusler compound.
On the other hand, conventionally known p-type half-Heusler compounds have a problem that their thermoelectric properties are generally low. Many of the p-type half-Heusler compounds contain harmful Sb. LaPdBi, GdPdBi, ErPdBi, and the like have been reported as p-type half-Heusler compounds that do not contain harmful Sb, but there is a problem that they contain a large amount of expensive Pd. Moreover, the Bi type half Heusler compound obtained by the conventional method contains many different phases, and there is no report example in which the single phase alloy was synthesize | combined. The presence of the heterogeneous phase increases the electrical conductivity of the thermoelectric material, and the high electrical conductivity increases the thermal conductivity, thus causing a problem that the thermoelectric performance is degraded.
On the other hand, RENiBi (RE is a rare earth element) -based compound is inexpensive because it contains Ni as a main component, and does not contain harmful elements. However, this system has problems in oxidation resistance and stability because the binding force between Ni and RE or Bi is weak.
Furthermore, the half-Heusler compound is generally produced using an arc melting method or a high-frequency melting method. However, since Bi has high volatility, when a half-Heusler compound containing Bi is produced by a conventional method, it is difficult to control the composition, which may cause deterioration in reproducibility and characteristics.
本発明が解決しようとする課題は、相対的に熱電特性が高いp型又はn型ハーフホイスラー化合物を主成分とする熱電材料及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、有害な元素を多量に含まず、しかも、低コストな熱電材料及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、耐酸化性及び安定性に優れた熱電材料及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、組成の制御が容易であり、再現性や特性の劣化が生じにくい熱電材料の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、異相の含有量が少ないBi系ハーフホイスラー化合物を含む熱電材料及びその製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material mainly composed of a p-type or n-type half-Heusler compound having relatively high thermoelectric properties and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a thermoelectric material that does not contain a large amount of harmful elements and that is low in cost, and a method for manufacturing the thermoelectric material.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material excellent in oxidation resistance and stability and a method for producing the thermoelectric material.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a thermoelectric material in which the composition is easily controlled and the reproducibility and characteristics are hardly deteriorated.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material containing a Bi-based half-Heusler compound with a low content of heterogeneous phase and a method for producing the thermoelectric material.
上記課題を解決するために本発明に係る熱電材料の1番目は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを要旨とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。
前記ハーフホイスラー化合物は、異相の存在割合が10%以下であるものが好ましい。
In order to solve the above problems, the first of the thermoelectric materials according to the present invention includes a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
The half-Heusler compound preferably has a heterogeneous phase content of 10% or less.
本発明に係る熱電材料の2番目は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを要旨とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記4a(0、0、0)サイト、前記4b(1/2、1/2、1/2)サイト、及び前記4c(1/4、1/4、1/4)サイトの少なくとも1以上のサイトに、主要構成元素と価電子数の異なる1種以上の原子をさらに含む。
(7) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。
前記ハーフホイスラー化合物は、異相の存在割合が10%以下であるものが好ましい。
The second aspect of the thermoelectric material according to the present invention includes a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The number of valence electrons per atom of the half-Heusler compound is 5.9 or more and 6.1 or less.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound includes the 4a (0, 0, 0) site, the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site, and the 4c (1/4, 1/4, 1). / 4) At least one site of the site further includes one or more kinds of atoms having a different valence electron number from the main constituent element.
(7) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
The half-Heusler compound preferably has a heterogeneous phase content of 10% or less.
さらに、本発明に係る熱電材料の製造方法は、
本発明に係るハーフホイスラー化合物の構成元素の内、Biを含み、かつ希土類元素を含まない2種以上の元素からなる第1合金を製造する第1合金製造工程と、
前記ハーフホイスラー化合物の構成元素の内、前記希土類元素を含み、かつBiを含まない2種以上の元素を配合し、溶解・鋳造する第2溶解・鋳造工程と、
少なくとも前記第1合金及び前記第2溶解・鋳造工程で得られた第2合金を用いて、前記ハーフホイスラー化合物となるように原料を配合する配合工程と、
前記配合工程で得られた配合物を仮焼する仮焼工程と、
を備えていることを要旨とする。
Furthermore, the manufacturing method of the thermoelectric material according to the present invention includes:
A first alloy production process for producing a first alloy composed of two or more elements including Bi and not including a rare earth element among the constituent elements of the half-Heusler compound according to the present invention;
A second melting / casting step of mixing and melting / casting two or more elements including the rare earth element and not containing Bi among the constituent elements of the half-Heusler compound;
A blending step of blending raw materials so as to be the half-Heusler compound using at least the first alloy and the second alloy obtained in the second melting / casting step;
A calcining step of calcining the blend obtained in the blending step;
The main point is that
第1合金製造工程は、
(1) 前記Biを含み、かつ前記希土類元素を含まない2種以上の元素を配合し、溶解・鋳造する第1溶解・鋳造工程、又は、
(2) 前記Biを含み、かつ前記希土類元素を含まない2種以上の元素を真空封入し、熱処理する第1封入・熱処理工程、
のいずれであっても良い。
前記配合工程は、前記第1合金及び前記第2合金に加えて、Biをさらに配合するものでも良い。
また、前記仮焼工程は、前記配合物を真空封入し、熱処理する第2封入・熱処理工程であっても良い。
The first alloy manufacturing process
(1) a first melting / casting step of mixing and melting / casting two or more elements containing Bi and not containing the rare earth element, or
(2) a first encapsulation / heat treatment step of vacuum-sealing and heat-treating two or more elements containing Bi and not containing the rare earth element;
Either may be sufficient.
In the blending step, Bi may be further blended in addition to the first alloy and the second alloy.
Further, the calcining step may be a second enclosing / heat treatment step of vacuum-sealing and heat-treating the compound.
さらに、本発明に係る熱電材料の製造方法は、
(1) 前記仮焼工程で得られた仮焼物を再溶解させ、溶湯を急冷凝固させる急冷工程、及び/又は、
(2) 前記仮焼工程で得られた仮焼物又は前記急冷工程で得られた凝固物を粉砕、成形及び焼結させる焼結工程、
をさらに備えていても良い。
前記急冷工程は、窒化ホウ素製ノズルを用いて、前記仮焼物を再溶解させるものが好ましい。
Furthermore, the manufacturing method of the thermoelectric material according to the present invention includes:
(1) A rapid cooling step in which the calcined product obtained in the calcining step is re-dissolved and the molten metal is rapidly solidified, and / or
(2) A sintering process in which the calcined product obtained in the calcining process or the solidified product obtained in the quenching process is pulverized, molded and sintered,
May be further provided.
The quenching step is preferably one in which the calcined material is re-dissolved using a boron nitride nozzle.
一般式:RENiBiで表されるハーフホイスラー化合物において、Niサイト(4cサイト)の全部又は一部をPd及び/又はPtで置換すると、耐酸化性及び安定性が向上する。これは、PdやPtは、Niに比べてREやBiとの結合力が強いために、分相が抑制されるためと考えられる。特に、Niサイトの一部をPd及び/又はPtで置換すると、熱電特性が向上するだけでなく、高価なPd及びPtの使用量を減らすことができる。
また、REサイト(4aサイト又は4bサイト)、Niサイト、及びBiサイト(4bサイト又は4aサイト)のいずれか1以上をイオン半径の異なる同族元素で置換すると、熱電特性が向上する。これは、いずれかのサイトをイオン半径の異なる同族元素で置換することによってバンド構造が変化するためと考えられる。
同様に、REサイト、Niサイト、及びBiサイトのいずれか1以上を価数の異なる元素で置換すると、熱電特性が向上する。これは、いずれかのサイトを価数の異なる元素で置換することによってキャリア濃度が変化するためと考えられる。
さらに、揮発性の高いBiを含むp型ハーフホイスラー化合物を合成する場合において、組成制御のしやすい2種以上の合金を作製し、これらを所定の比率で混合し、固相反応で試料合成を行うと、組成制御性が改善され、特性を向上させることができる。
In the half-Heusler compound represented by the general formula: RENiBi, if all or part of the Ni site (4c site) is substituted with Pd and / or Pt, oxidation resistance and stability are improved. This is probably because Pd and Pt have a stronger binding force with RE and Bi than Ni, and thus phase separation is suppressed. In particular, when a part of the Ni site is replaced with Pd and / or Pt, not only the thermoelectric characteristics are improved, but also the amount of expensive Pd and Pt used can be reduced.
In addition, when any one or more of the RE site (4a site or 4b site), Ni site, and Bi site (4b site or 4a site) is replaced with a similar element having different ionic radii, thermoelectric characteristics are improved. This is presumably because the band structure is changed by substituting one of the sites with a homologous element having a different ionic radius.
Similarly, when any one or more of the RE site, Ni site, and Bi site is replaced with an element having a different valence, thermoelectric characteristics are improved. This is probably because the carrier concentration is changed by substituting one of the sites with an element having a different valence.
Furthermore, when synthesizing a p-type half-Heusler compound containing highly volatile Bi, two or more kinds of alloys that are easy to control the composition are prepared, mixed at a predetermined ratio, and sample synthesis is performed by solid phase reaction. If done, the composition controllability is improved and the properties can be improved.
本発明に係る熱電材料を製造する場合において、急冷凝固法を用いると、異相の存在割合が極めて少ない熱電材料が得られる。また、急冷凝固の際に、窒化ホウ素製ノズルを用いたときには、溶湯とノズルとの反応が抑制される。そのため、組成ズレや不純物の混入がさらに抑制され、ゼーベック係数Sの低下を抑制することができる。しかも、急冷凝固法は、結晶粒子径を小さくし、熱伝導度κを低下させる効果もある。
さらに、Biを含む第1合金を製造する場合において溶解・鋳造法に代えて真空封入法を用いたとき、あるいは第1合金及び第2合金の配合物を仮焼する場合において真空封入法を用いたときには、Biの揮発に起因する組成ズレをさらに抑制することができる。
In the case of producing the thermoelectric material according to the present invention, when the rapid solidification method is used, a thermoelectric material having a very small proportion of heterogeneous phases can be obtained. Further, when a boron nitride nozzle is used during rapid solidification, the reaction between the molten metal and the nozzle is suppressed. Therefore, compositional deviation and contamination of impurities can be further suppressed, and a decrease in Seebeck coefficient S can be suppressed. Moreover, the rapid solidification method also has the effect of reducing the crystal particle size and reducing the thermal conductivity κ.
Further, when the first alloy containing Bi is manufactured, the vacuum encapsulation method is used when the vacuum encapsulation method is used instead of the melting / casting method or when the compound of the first alloy and the second alloy is calcined. If so, compositional deviation due to Bi volatilization can be further suppressed.
以下に本発明の一実施の形態につて詳細に説明する。
[1. 熱電材料(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る熱電材料は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを特徴とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Thermoelectric material (1)]
The thermoelectric material according to the first embodiment of the present invention is characterized by including a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
[1.1. 結晶構造]
図1に、AgAsMg型結晶構造の単位胞の模式図を示す。ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型結晶構造(空間群F43m)を有し、一般式:XYZで表される。X原子及びZ原子は、それぞれ、4a(0、0、0)サイト(以下、単に「4aサイト」という。)及び4b(1/2、1/2、1/2)サイト(以下、単に、「4bサイト」という。)に位置しており、X原子及びZ原子は岩塩構造を形成している。4aサイトと4bサイトは、等価である。Y原子は、八面体状に配位したポケット(X原子及びZ原子で構成される立方体の中心)、すなわち、4c(1/4、1/4、1/4)サイト(以下、単に「4cサイト」という。)に位置している。他のポケット、すなわち、4d(3/4、3/4、3/4)サイト(以下、単に「4dサイト」という。)は、空になっている。
[1.1. Crystal structure]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a unit cell of an AgAsMg type crystal structure. The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure (space group F43m) and is represented by a general formula: XYZ. X atom and Z atom are respectively 4a (0, 0, 0) sites (hereinafter simply referred to as “4a sites”) and 4b (1/2, 1/2, 1/2) sites (hereinafter simply referred to as “ It is located at “4b site”), and the X and Z atoms form a rock salt structure. The 4a site and the 4b site are equivalent. Y atom is an octahedrally coordinated pocket (center of a cube composed of X atom and Z atom), that is, 4c (1/4, 1/4, 1/4) site (hereinafter simply referred to as “4c Site "). The other pockets, that is, 4d (3/4, 3/4, 3/4) sites (hereinafter simply referred to as “4d sites”) are empty.
[1.2. 価電子数]
本実施の形態に係る熱電材料において、ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数は、6である。原子当たりの価電子数が6(又は、総価電子数が18)であるハーフホイスラー化合物は、半導体的特性を示し、適度な大きさのゼーベック係数Sと電気抵抗率ρを持つことが知られている。
なお、ハーフホイスラー化合物XYZは、X:Y:Z=1:1:1の化合物であるので、原子当たりの価電子数#eは、次の(1)式で表される。
#e=(#eX+#eY+#eZ)/3 ・・・(1)
ここで、#eX、#eY及び#eZは、それぞれ、X原子、Y原子及びZ原子の価電子数である。また、各サイトが複数種類の原子で占められている場合には、#eX、#eY及び#eZは、それぞれ、各サイトを占める原子の平均の価電子数である。
[1.2. Number of valence electrons]
In the thermoelectric material according to the present embodiment, the half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom. Half-Heusler compounds with 6 valence electrons per atom (or 18 total valence electrons) are known to exhibit semiconducting properties and have moderately large Seebeck coefficient S and electrical resistivity ρ. ing.
Since the half-Heusler compound XYZ is a compound of X: Y: Z = 1: 1: 1, the number of valence electrons #e per atom is represented by the following formula (1).
#E = (# e X + # e Y + # e Z) / 3 ··· (1)
Here, #e X , #e Y, and #e Z are the valence electron numbers of the X atom, the Y atom, and the Z atom, respectively. When each site is occupied by a plurality of types of atoms, #e X , #e Y, and #e Z are the average number of valence electrons of the atoms occupying each site.
また、本発明において、「価電子数」とは、化学結合に寄与する電子の数をいう。次の表1に、各原子の価電子数を示す。 In the present invention, the “valence electron number” means the number of electrons contributing to the chemical bond. Table 1 below shows the number of valence electrons of each atom.
[1.3. 構成元素]
本実施の形態に係る熱電材料において、ハーフホイスラー化合物は、4cサイト(Niサイト)にNi、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。また、4bサイト又は4aサイト(Biサイト)のいずれか一方にBiを含み、他方(REサイト)に希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。なお、本発明において、「希土類元素」とは、39Y、21Sc、及びランタノイド元素(57La〜71Lu)をいう。
[1.3. Constituent elements]
In the thermoelectric material according to the present embodiment, the half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c site (Ni site). Further, either 4b site or 4a site (Bi site) contains Bi, and the other (RE site) contains one or more elements selected from rare earth elements. In the present invention, “rare earth element” refers to 39 Y, 21 Sc, and a lanthanoid element ( 57 La to 71 Lu).
本実施の形態に係る熱電材料に含まれるハーフホイスラー化合物は、具体的には、次の(1)式で表される組成を有するものが好ましい。(1)式で表されるハーフホイスラー化合物は、p型熱電材料である。
RE(Ni1-x-yPdxPty)Bi ・・・(1)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0≦x<1、0≦y<1、x+y≦1、
(1−x−y)x+xy+y(1−x−y)>0
(1)式において、x及びyは、それぞれ、Niサイトを置換するPd量及びPt量を表す。Niの全部又は一部をPd及び/又はPtで置換すると、
(a) バンドギャップが変化し、ゼーベック係数が変化する、
(b) バンドギャップ先端の曲率半径が変化し、キャリア移動度が変化する、
(c) フォノン散乱が増大し、熱伝導度が低下する、
という効果がある。そのため、x及びyを最適化すると、熱電特性を向上させることができる。
Specifically, the half-Heusler compound contained in the thermoelectric material according to the present embodiment preferably has a composition represented by the following formula (1). The half-Heusler compound represented by the formula (1) is a p-type thermoelectric material.
RE (Ni 1-xy Pd x Pt y) Bi ··· (1)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1,
(1-xy) x + xy + y (1-xy)> 0
In the formula (1), x and y represent the amount of Pd and the amount of Pt that replace the Ni site, respectively. When all or part of Ni is replaced with Pd and / or Pt,
(A) The band gap changes and the Seebeck coefficient changes.
(B) The radius of curvature of the band gap tip changes, and the carrier mobility changes.
(C) Phonon scattering increases and thermal conductivity decreases,
There is an effect. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved by optimizing x and y.
例えば、Niの一部をPdで置換したハーフホイスラー化合物の場合、次の(2)式で表される組成を有するものが好ましい。
RE(Ni1-xPdx)Bi ・・・(2)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0.4≦x<1
Pd置換量xを0.4≦x<1とすると、RENiBiあるいはREPdBiよりも高い出力因子PFが得られる。Pd置換量xは、さらに好ましくは、0.5≦x≦0.9、さらに好ましくは、0.6≦x≦0.8である。
For example, in the case of a half-Heusler compound in which a part of Ni is substituted with Pd, those having a composition represented by the following formula (2) are preferable.
RE (Ni 1-x Pd x ) Bi (2)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0.4 ≦ x <1
When the Pd substitution amount x is 0.4 ≦ x <1, an output factor PF higher than RENiBi or REPdBi is obtained. The Pd substitution amount x is more preferably 0.5 ≦ x ≦ 0.9, and more preferably 0.6 ≦ x ≦ 0.8.
また、REサイトを占める希土類元素のイオン半径を変化させると、
(a) バンドギャップが変化し、ゼーベック係数が変化する、
(b) バンドギャップ先端の曲率半径が変化し、キャリア移動度が変化する、
(c) フォノン散乱が増大し、熱伝導度が低下する、
という効果がある。そのため、REサイトを占める希土類元素を最適化すると、熱電特性を向上させることができる。
Moreover, when the ion radius of the rare earth element occupying the RE site is changed,
(A) The band gap changes and the Seebeck coefficient changes.
(B) The radius of curvature of the band gap tip changes, and the carrier mobility changes.
(C) Phonon scattering increases and thermal conductivity decreases,
There is an effect. Therefore, the thermoelectric characteristics can be improved by optimizing the rare earth element occupying the RE site.
例えば、Niの50at%をPdで置換したハーフホイスラー化合物の場合、次の(3)式で表される組成を有し、かつ、希土類元素REの平均イオン半径が0.102nm以上0.108nm以下であるものが好ましい。「平均イオン半径」とは、REサイトを占める希土類元素のイオン半径の平均値をいう。希土類元素REの平均イオン半径は、さらに好ましくは、0.103nm以上0.107nm以下、さらに好ましくは、0.104nm以上0.106nm以下である。このような条件を満たす希土類元素REとしては、具体的には、Er、Y、Dy、Tb、Gd、Gd0.5Y0.5、Y0.5Dy0.5、Y0.5Er0.5、Y0.5Tb0.5、Gd0.5Er0.5などがある。
RE(Ni0.5Pd0.5)Bi ・・・(3)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
For example, in the case of a half-Heusler compound in which 50 at% of Ni is substituted with Pd, it has a composition represented by the following formula (3), and the average ionic radius of the rare earth element RE is 0.102 nm or more and 0.108 nm or less Are preferred. “Average ionic radius” refers to the average value of the ionic radii of rare earth elements occupying the RE site. The average ionic radius of the rare earth element RE is more preferably 0.103 nm or more and 0.107 nm or less, and further preferably 0.104 nm or more and 0.106 nm or less. Specific examples of the rare earth element RE satisfying such conditions include Er, Y, Dy, Tb, Gd, Gd 0.5 Y 0.5 , Y 0.5 Dy 0.5 , Y 0.5 Er 0.5 , Y 0.5 Tb 0.5 , Gd 0.5 Er. 0.5 and so on.
RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi (3)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
Biサイトも、Niサイト及びREサイトと同様であり、Biサイトをイオン半径の異なる同族元素で置換すると、バンド構造の変化とフォノン散乱の増大により、熱電特性を向上させることができる。 The Bi site is the same as the Ni site and the RE site. When the Bi site is replaced with a homologous element having different ionic radii, thermoelectric characteristics can be improved by changing the band structure and increasing phonon scattering.
[1.4. 均一性]
Biは、揮発性が高いので、他の元素とともに溶解すると、組成ズレを生じやすい。また、希土類元素REとBiとの親和性が高いため、両者が溶解して混ざり合う瞬間に激しい反応が生じ、構成元素が飛び散ることで更なる組成ズレや不均一化が生じやすい。これに対し、後述する本発明に係る方法を用いると、Biの揮発や激しい反応に起因する組成ズレを抑制することができる。
組成ズレの程度は、X線回折パターンにおける最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量で表すことができる。耐酸化性及び安定性に優れ、高い熱電特性を有する熱電材料を得るためには、ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degであるものが好ましい。シフト量は、さらに好ましくは、±0.07degである。
[1.4. Uniformity]
Since Bi is highly volatile, compositional deviation tends to occur when it is dissolved together with other elements. In addition, since the affinity between the rare earth elements RE and Bi is high, a vigorous reaction occurs at the moment when the two elements are dissolved and mixed, and the constituent elements are scattered, and further composition deviation and non-uniformity are likely to occur. On the other hand, when the method according to the present invention described later is used, composition deviation caused by volatilization or intense reaction of Bi can be suppressed.
The degree of composition deviation can be expressed by a shift amount with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak in the X-ray diffraction pattern. In order to obtain a thermoelectric material excellent in oxidation resistance and stability and having high thermoelectric properties, the half-Heusler compound preferably has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest peak. . The shift amount is more preferably ± 0.07 deg.
[1.5. 不純物]
本実施の形態に係る熱電材料は、上述したハーフホイスラー化合物のみからなることが望ましいが、不可避的不純物(異相)が含まれていても良い。但し、熱電特性に悪影響を与える異相は、少ない方が好ましい。
さらに、本実施の形態に係る熱電材料は、上述したハーフホイスラー化合物と、他の材料(例えば、樹脂、ゴム等)との複合体であっても良い。
[1.5. impurities]
The thermoelectric material according to the present embodiment is preferably made of only the half-Heusler compound described above, but may contain inevitable impurities (heterophase). However, it is preferable that the number of heterogeneous phases that adversely affect thermoelectric properties is small.
Furthermore, the thermoelectric material according to the present embodiment may be a composite of the above-described half-Heusler compound and another material (for example, resin, rubber, etc.).
ここで、「異相」とは、ハーフホイスラー化合物とは異なる相をいう。異相の中でも電気伝導度σの高いものは、系全体の電気伝導度σを高める原因となる。一般に、電気伝導度σと熱伝導度κとは正の相関があり、電気伝導度σが高くなるほど、熱伝導度κも高くなる。そのため、電気伝導度σの高い異相の含有量が多くなり、電気伝導度σの増分に比べて熱伝導度κの増分が大きくなると、系全体の性能指数Zが低下する。
系全体の性能指数Zの低下を抑制するためには、異相の存在割合は低いほど良い。「異相の存在割合」とは、次の(a)式で表される値をいう。
異相の存在割合(%)=Σ[Iimpurity/(I220+Iimpurity)]×100 ・・・(a)
但し、I220はハーフホイスラー化合物の最強線ピーク強度、Iimpurityは、異相の最強線ピーク強度。
後述する方法を用いると、異相の存在割合が10%以下、5%以下、あるいは、2%以下である熱電材料が得られる。
Here, the “heterophase” refers to a phase different from the half-Heusler compound. Among the different phases, those having a high electric conductivity σ cause an increase in the electric conductivity σ of the entire system. In general, the electrical conductivity σ and the thermal conductivity κ have a positive correlation, and the higher the electrical conductivity σ, the higher the thermal conductivity κ. Therefore, when the content of the different phase having a high electric conductivity σ is increased and the increase in the thermal conductivity κ is larger than the increase in the electric conductivity σ, the figure of merit Z of the entire system is lowered.
In order to suppress the lowering of the figure of merit Z of the whole system, the lower the proportion of different phases, the better. “Existence ratio of heterogeneous phase” refers to a value represented by the following formula (a).
Presence ratio of heterogeneous phase (%) = Σ [I impurity / (I 220 + I impurity )] × 100 (a)
However, I 220 is the strongest peak intensity of the half-Heusler compound, and I impurity is the strongest peak intensity of the different phase.
When a method described later is used, a thermoelectric material having a heterogeneous phase content of 10% or less, 5% or less, or 2% or less can be obtained.
[2. 熱電材料(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る熱電材料は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを特徴とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記4a(0、0、0)サイト、前記4b(1/2、1/2、1/2)サイト、及び前記4c(1/4、1/4、1/4)サイトの少なくとも1以上のサイトに、主要構成元素と価電子数の異なる1種以上の原子をさらに含む。
(7) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。
[2. Thermoelectric material (2)]
The thermoelectric material according to the second embodiment of the present invention includes a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The number of valence electrons per atom of the half-Heusler compound is 5.9 or more and 6.1 or less.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound includes the 4a (0, 0, 0) site, the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site, and the 4c (1/4, 1/4, 1). / 4) At least one site of the site further includes one or more kinds of atoms having a different valence electron number from the main constituent element.
(7) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
[2.1. 価電子数及び構成元素]
本実施の形態に係る熱電材料は、原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下であるハーフホイスラー化合物を含む。価電子数の制御は、原子当たりの価電子数が6であるハーフホイスラー化合物に対してドーパントを加え、4aサイト、4bサイト、及び4cサイトの少なくとも1以上のサイトにおいて、主要構成元素(RE、Ni、Pd、Pt、Bi)の一部をこれとは価電子数の異なる1種以上の元素で置換することにより行う。
[2.1. Number of valence electrons and constituent elements]
The thermoelectric material according to the present embodiment includes a half-Heusler compound having a valence electron number of 5.9 or more and 6.1 or less. Control of the number of valence electrons is performed by adding a dopant to a half-Heusler compound having 6 valence electrons per atom, and at least one of the 4a site, 4b site, and 4c site. This is performed by substituting a part of Ni, Pd, Pt, Bi) with one or more elements having different valence electrons.
ドーピングは、1つのサイトの構成元素のみを置換するものであっても良く、あるいは、2以上のサイトの構成元素を同時に置換するものであっても良い。また、ドーピングは、1又は2以上の各サイトにおいて、構成元素の一部を価電子数が同一又は異なる2種以上の元素で置換するものであっても良い。 Doping may replace only the constituent elements at one site, or may replace constituent elements at two or more sites simultaneously. In addition, the doping may be one in which a part of the constituent element is replaced with two or more elements having the same or different valence electrons at one or two or more sites.
ハーフホイスラー化合物は、一般に、原子当たりの価電子数が6であっても、電子が優勢キャリアとなり、n型熱電材料となる場合が多い。このようなハーフホイスラー化合物の構成元素の一部を、それより価電子数の大きな元素(以下、これを「n型ドーパント」という。)で置換すると、原子当たりの価電子数が6より大きいハーフホイスラー化合物が得られる。原子当たりの価電子数が6を超えると、電子がドープされ、電気伝導度がより大きいn型熱電材料となる。
一方、原子当たりの価電子数が6であるハーフホイスラー化合物の構成元素の一部を、それより価電子数の小さな元素(以下、これを「p型ドーパント」という。)で置換すると、原子当たりの価電子数が6より小さいハーフホイスラー化合物が得られる。原子当たりの価電子数が6より小さくなると、ホールがドープされる。また、p型ドーパントの量がある一定量を超えると、ゼーベック係数Sが正に転じ、p型熱電材料となる。
In general, half-Heusler compounds often have n-type thermoelectric materials because electrons are the dominant carrier even if the number of valence electrons per atom is six. When a part of the constituent elements of such a half-Heusler compound is replaced with an element having a larger valence electron number (hereinafter referred to as “n-type dopant”), the half valence electron number per atom is larger than six. A Heusler compound is obtained. When the number of valence electrons per atom exceeds 6, an electron is doped, resulting in an n-type thermoelectric material having higher electrical conductivity.
On the other hand, when a part of the constituent elements of the half-Heusler compound having 6 valence electrons per atom is replaced with an element having a smaller valence electron number (hereinafter referred to as “p-type dopant”), A half-Heusler compound having a valence electron number of less than 6 is obtained. When the number of valence electrons per atom is less than 6, holes are doped. Further, when the amount of the p-type dopant exceeds a certain amount, the Seebeck coefficient S turns positive and becomes a p-type thermoelectric material.
さらに、ドーピングは、n型ドーパントとp型ドーパントとを同時に添加するものであっても良い。すなわち、同一又は異なるサイトにおいて、主要構成元素より価電子数の大きな元素と、小さな元素を同時に添加しても良い。また、原子当たりの価電子数が6に維持されるように、少なくとも2つのサイトを占める原子の一部を価電子数の異なる原子で置換した場合であっても、熱電特性が向上する。これは、
(1) 元素置換によって熱伝導度κが小さくなるため、
(2) 電子構造が複雑となり、状態密度が増大することにより、ゼーベック係数Sが増大するため、あるいは、
(3) 原子当たりの価電子数が6(平均的には、中性)であるため、キャリア移動度の低下が小さいため、
と考えられる。
但し、キャリアの増加は、主として、n型ドーパントによる価電子数の増加の寄与分と、p型ドーパントによる価電子数の増加の寄与分の差に依存する。そのため、キャリアを増加させるという点では、n型ドーパントとp型ドーパントの同時添加は実益がなく、いずれか一方を添加するのが好ましい。
Furthermore, doping may be performed by simultaneously adding an n-type dopant and a p-type dopant. That is, at the same or different sites, an element having a larger valence electron number and a smaller element than the main constituent element may be added simultaneously. Further, even when a part of atoms occupying at least two sites is substituted with atoms having different valence electrons so that the number of valence electrons per atom is maintained at 6, the thermoelectric characteristics are improved. this is,
(1) Since the thermal conductivity κ is reduced by element substitution,
(2) Since the electronic structure becomes complicated and the density of states increases, the Seebeck coefficient S increases, or
(3) Since the number of valence electrons per atom is 6 (on average, neutral), the decrease in carrier mobility is small.
it is conceivable that.
However, the increase in carriers mainly depends on the difference between the contribution from the increase in the number of valence electrons by the n-type dopant and the contribution from the increase in the number of valence electrons by the p-type dopant. Therefore, in terms of increasing carriers, simultaneous addition of an n-type dopant and a p-type dopant is not beneficial, and it is preferable to add one of them.
ハーフホイスラー化合物へのドーピングは、ドーピング後の原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下となるように行う。原子当たりの価電子数が5.9未満である場合、及び、6.1を超える場合は、いずれも、ハーフホイスラー化合物が金属的となり、高い熱電特性は得られない。
一般に、熱電特性を支配するゼーベック係数S、電気伝導度σ及び熱伝導度κは、いずれもキャリア濃度の関数となる。従って、高い熱電特性を得るためには、原子当たりの価電子数は、ハーフホイスラー化合物の組成に応じて、最適な値を選択するのが好ましい。
The half-Heusler compound is doped so that the number of valence electrons per atom after doping is 5.9 or more and 6.1 or less. When the number of valence electrons per atom is less than 5.9 and exceeds 6.1, the half-Heusler compound becomes metallic and high thermoelectric characteristics cannot be obtained.
In general, the Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ that govern thermoelectric properties are all functions of carrier concentration. Therefore, in order to obtain high thermoelectric properties, it is preferable to select an optimal value for the number of valence electrons per atom according to the composition of the half-Heusler compound.
本実施の形態に係る熱電材料に含まれるハーフホイスラー化合物は、具体的には、次の(4)式で表される組成を有するものが好ましい。(4)式で表されるハーフホイスラー化合物は、ドーパントの種類及び量に応じて、n型又はp型の熱電材料となる。
(RE1-uMu){(Ni1-x-yPdxPty)1-vM'v}(Bi1-wM"w) ・・・(4)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0≦x<1、0≦y<1、x+y≦1、
(1−x−y)x+xy+y(1−x−y)>0
Mは、REとは価数の異なる元素。
M'は、Ni、Pd、及びPdとは価数の異なる元素。
M"は、Biとは価数の異なる元素。
0≦u≦0.3、0≦v≦0.3、0≦w≦0.3、u+v+w>0
元素M、M'、M"の添加量u、v、wを、それぞれ、0.3以下とすると、これらを含まないハーフホイスラー化合物と同等以上の出力因子PFが得られる。添加量u、v、wは、それぞれ、さらに好ましくは0.001以上0.03以下、さらに好ましくは0.01以上0.03以下である。
Specifically, the half-Heusler compound contained in the thermoelectric material according to the present embodiment preferably has a composition represented by the following formula (4). The half-Heusler compound represented by the formula (4) is an n-type or p-type thermoelectric material depending on the type and amount of the dopant.
(RE 1-u M u) {(Ni 1-xy Pd x Pt y) 1-v M 'v} (Bi 1-w M "w) ··· (4)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1,
(1-xy) x + xy + y (1-xy)> 0
M is an element having a valence different from that of RE.
M ′ is an element having a valence different from that of Ni, Pd, and Pd.
M ″ is an element having a different valence from Bi.
0 ≦ u ≦ 0.3, 0 ≦ v ≦ 0.3, 0 ≦ w ≦ 0.3, u + v + w> 0
When the addition amounts u, v, and w of the elements M, M ′, and M ″ are 0.3 or less, respectively, an output factor PF that is equal to or higher than that of a half-Heusler compound not containing them is obtained. , W are more preferably 0.001 or more and 0.03 or less, and still more preferably 0.01 or more and 0.03 or less.
REサイトを置換する元素Mとしては、具体的には、Ti、Zr、Hf、Mg、Ca、Sr、Baなどが好ましい。
Niサイトを置換する元素M'としては、具体的には、Cu、Ag、Au、Co、Rh、Irなどが好ましい。
Biサイトを置換する元素M"としては、具体的には、Si、Ge、Se、Te、Snなどが好ましい。
各サイトを置換するドーパントの添加量は、ドーパントの種類に応じて最適な添加量を選択する。例えば、REサイトを置換するドーパント(元素M)がZrである場合、添加量uは、0.001≦u≦0.03が好ましく、さらに好ましくは、0.01≦u≦0.03である。また、例えば、Niサイトを置換するドーパント(元素M')がCuである場合、添加量vは、0.001≦v≦0.03が好ましく、さらに好ましくは、0.01≦v≦0.03である。
Specifically, the element M substituting the RE site is preferably Ti, Zr, Hf, Mg, Ca, Sr, Ba or the like.
Specifically, Cu, Ag, Au, Co, Rh, Ir, and the like are preferable as the element M ′ that replaces the Ni site.
Specifically, Si, Ge, Se, Te, Sn, etc. are preferable as the element M ″ for substituting the Bi site.
The addition amount of the dopant that substitutes each site is selected in accordance with the type of dopant. For example, when the dopant (element M) for substituting the RE site is Zr, the addition amount u is preferably 0.001 ≦ u ≦ 0.03, and more preferably 0.01 ≦ u ≦ 0.03. . For example, when the dopant (element M ′) that replaces the Ni site is Cu, the addition amount v is preferably 0.001 ≦ v ≦ 0.03, and more preferably 0.01 ≦ v ≦ 0. 03.
[2.2. その他]
結晶構造、構成元素、均一性、不純物等に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[2.2. Others]
Other points regarding the crystal structure, constituent elements, uniformity, impurities, and the like are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[3. 熱電材料の製造方法]
本発明に係る熱電材料の製造方法は、第1合金製造工程と、第2溶解・鋳造工程と、配合工程と、仮焼工程と、急冷工程と、焼結工程とを備えている。
[3. Method for manufacturing thermoelectric material]
The method for manufacturing a thermoelectric material according to the present invention includes a first alloy manufacturing process, a second melting / casting process, a blending process, a calcination process, a rapid cooling process, and a sintering process.
[3.1 第1合金製造工程]
第1合金製造工程は、本発明に係るハーフホイスラー化合物の構成元素の内、Biを含み、かつ希土類元素を含まない2種以上の元素からなる第1合金を製造する工程である。第1合金を製造する方法には、溶解・鋳造法(第1溶解・鋳造工程)、真空封入法(第1封入・熱処理工程)などがある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。
[3.1 First Alloy Manufacturing Process]
A 1st alloy manufacturing process is a process of manufacturing the 1st alloy which consists of 2 or more types of elements which contain Bi and do not contain rare earth elements among the structural elements of the half-Heusler compound concerning the present invention. Methods for producing the first alloy include a melting / casting method (first melting / casting step), a vacuum sealing method (first sealing / heat treatment step), and the like. Any method may be used in the present invention.
[3.1.1 第1溶解・鋳造工程]
第1溶解・鋳造工程は、本発明に係るハーフホイスラー化合物の構成元素の内、Biを含み、かつ希土類元素を含まない2種以上の元素を配合し、溶解・鋳造する工程である。
第1溶解・鋳造工程で作製する鋳塊(第1合金)は、希土類元素を含まないものであればよい。ドーパントが添加されたハーフホイスラー化合物を合成する場合、第1合金は、ドーパントを含むものであっても良く、あるいは、含まないものでも良い。第1溶解・鋳造工程では、特定の組成を有する1種類の第1合金を作製しても良く、あるいは、組成の異なる2種以上の第1合金を作製しても良い。
例えば、一般式:RE(Ni1-xPdx)Biで表されるハーフホイスラー化合物を合成する場合、(Ni1-x'Pdx')Bi2となるように原料を配合し、溶解鋳造すればよい。この場合、x'の異なる2種以上の合金を作製しても良い。
原料の溶解方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶解方法としては、具体的には、アーク溶解法、高周波溶解法、ガラス管封入アニール法などがある。また、原料の溶解は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
[3.1.1 First melting / casting process]
The first melting / casting step is a step of mixing and melting and casting two or more elements that contain Bi and do not contain a rare earth element among the constituent elements of the half-Heusler compound according to the present invention.
The ingot (first alloy) produced in the first melting / casting process may be any one that does not contain a rare earth element. When synthesizing a half-Heusler compound to which a dopant is added, the first alloy may or may not contain a dopant. In the first melting / casting step, one kind of first alloy having a specific composition may be produced, or two or more kinds of first alloys having different compositions may be produced.
For example, when synthesizing a half-Heusler compound represented by the general formula: RE (Ni 1-x Pd x ) Bi, the raw materials are blended so as to be (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2, and melt casting do it. In this case, two or more kinds of alloys having different x ′ may be produced.
The method for dissolving the raw material is not particularly limited, and various methods can be used. Specific examples of the melting method include an arc melting method, a high frequency melting method, and a glass tube enclosing annealing method. In addition, it is preferable to dissolve the raw material in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.
[3.1.2 第1封入・熱処理工程]
第1封入・熱処理工程は、Biを含み、かつ希土類元素を含まない2種以上の元素を真空封入し、熱処理する工程である。第1合金の製造方法として、溶解・鋳造法に代えて真空封入法を用いると、Biの揮発による僅かな組成ズレや合成後のBiの共存、及びこれらに起因する熱電特性の低下を抑制することができる。
所定の比率で配合された原料を真空封入するための封入管の材質は、特に限定されるものではなく、原料との反応性に乏しいものであれば良い。封入管には、通常、石英管が用いられる。
熱処理温度は、現実的な処理時間内に封入管内の原料が反応し、所定の組成を有する第1合金が形成される温度であれば良い。熱処理温度は、必ずしも原料全体が融液になる温度である必要はない。例えば、第1合金が(Ni1-x'Pdx')Bi2である場合、熱処理温度は、300〜700℃が好ましい。
第1合金に関するその他の点については、第1溶解・鋳造工程と同様であるので、説明を省略する。
[3.1.2 First encapsulation / heat treatment process]
The first encapsulation / heat treatment step is a step of vacuum-sealing and heat-treating two or more elements containing Bi and not containing a rare earth element. When the vacuum encapsulation method is used instead of the melting / casting method as the manufacturing method of the first alloy, the slight composition deviation due to the volatilization of Bi, the coexistence of Bi after synthesis, and the deterioration of the thermoelectric properties due to these are suppressed. be able to.
The material of the sealing tube for vacuum-sealing the raw materials blended at a predetermined ratio is not particularly limited as long as it has poor reactivity with the raw materials. A quartz tube is usually used as the enclosing tube.
The heat treatment temperature may be a temperature at which the raw material in the sealed tube reacts within a realistic processing time and a first alloy having a predetermined composition is formed. The heat treatment temperature is not necessarily a temperature at which the entire raw material becomes a melt. For example, when the first alloy is (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 , the heat treatment temperature is preferably 300 to 700 ° C.
The other points regarding the first alloy are the same as those in the first melting / casting process, and thus the description thereof is omitted.
[3.2. 第2溶解・鋳造工程]
第2溶解・鋳造工程は、本発明に係るハーフホイスラー化合物の構成元素の内、希土類元素を含み、かつBiを含まない2種以上の元素を配合し、溶解・鋳造する工程である。
第2溶解・鋳造工程で作製する鋳塊(第2合金)は、Biを含まないものであればよい。ドーパントが添加されたハーフホイスラー化合物を合成する場合、第2合金は、ドーパントを含むものであっても良く、あるいは、含まないものでも良い。第2溶解・鋳造工程では、特定の組成を有する1種類の第2合金を作製しても良く、あるいは、組成の異なる2種以上の第2合金を作製しても良い。
例えば、一般式:RE(Ni1-xPdx)Biで表されるハーフホイスラー化合物を合成する場合において、RE2(Ni1-x"Pdx")となるように原料を配合し、溶解鋳造すればよい。この場合、x"の異なる2種以上の合金を作製しても良い。また、x"の値は、第1溶解・鋳造工程において作製した第1合金((Ni1-x'Pdx')Bi2)と混合したときに、目的とするハーフホイスラー化合物RE(Ni1-xPdx)Biとなるように、選択するのが好ましい。
原料の溶解方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶解方法としては、具体的には、アーク溶解法、高周波溶解法、ガラス管封入アニール法などがある。また、原料の溶解は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
[3.2. Second melting / casting process]
The second melting / casting step is a step of mixing and melting and casting two or more elements including rare earth elements and not containing Bi among the constituent elements of the half-Heusler compound according to the present invention.
The ingot (second alloy) produced in the second melting / casting process only needs to contain no Bi. When synthesizing a half-Heusler compound to which a dopant is added, the second alloy may or may not contain a dopant. In the second melting / casting step, one kind of second alloy having a specific composition may be produced, or two or more kinds of second alloys having different compositions may be produced.
For example, when synthesizing a half-Heusler compound represented by the general formula: RE (Ni 1-x Pd x ) Bi, the raw materials are blended and dissolved so as to be RE 2 (Ni 1-x " Pd x" ). Cast it. In this case, two or more kinds of alloys having different x ″ may be produced. The value of x ″ is determined by the first alloy ((Ni 1-x ′ Pd x ′ ) produced in the first melting and casting process. It is preferred to select such that when mixed with Bi 2 ), the desired half-Heusler compound RE (Ni 1-x Pd x ) Bi is obtained.
The method for dissolving the raw material is not particularly limited, and various methods can be used. Specific examples of the melting method include an arc melting method, a high frequency melting method, and a glass tube enclosing annealing method. In addition, it is preferable to dissolve the raw material in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.
[3.3. 配合工程]
配合工程は、少なくとも第1合金製造工程で得られた第1合金、及び第2溶解・鋳造工程で得られた第2合金を用いて、目的とするハーフホイスラー化合物となるように原料を配合する工程である。
例えば、一般式:RE(Ni1-xPdx)Biで表されるハーフホイスラー化合物を合成する場合において、第1合金製造工程において(Ni1-x'Pdx')Bi2を作製し、第2溶解・鋳造工程においてRE2(Ni1-x"Pdx")を作製したときには、両者を1:1の比率で配合すればよい。第1合金製造工程において2種以上の第1合金を作製し、及び/又は、第2溶解・鋳造工程において2種以上の第2合金を作製した場合も同様であり、目的とする組成を有するハーフホイスラー化合物が得られるように、これらを配合すればよい。
なお、配合工程においては、第1合金及び第2合金以外の原料を配合しても良い。例えば、ドーパントが添加されたハーフホイスラー化合物を合成する場合において、第1合金製造工程においてドーパントを含む第1合金を作製し、及び/又は、第2溶解・鋳造工程においてドーパントを含む第2合金を作製しても良いが、第1合金及び第2合金がドーパントを含むか否かにかかわらず、配合工程において、別途、ドーパントを添加しても良い。
[3.3. Compounding process]
In the blending step, at least the first alloy obtained in the first alloy manufacturing step and the second alloy obtained in the second melting / casting step are used to blend the raw materials so as to be the target half-Heusler compound. It is a process.
For example, when synthesizing a half-Heusler compound represented by the general formula: RE (Ni 1-x Pd x ) Bi, (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 is produced in the first alloy manufacturing process, When RE 2 (Ni 1-x " Pd x" ) is produced in the second melting / casting process, they may be blended at a ratio of 1: 1. The same applies when two or more kinds of first alloys are produced in the first alloy manufacturing process and / or when two or more kinds of second alloys are produced in the second melting / casting process. What is necessary is just to mix | blend these so that a half-Heusler compound may be obtained.
In the blending step, raw materials other than the first alloy and the second alloy may be blended. For example, in the case of synthesizing a half-Heusler compound to which a dopant is added, a first alloy containing the dopant is produced in the first alloy manufacturing process, and / or a second alloy containing the dopant is produced in the second melting / casting process. Although it may be produced, a dopant may be added separately in the blending step regardless of whether the first alloy and the second alloy contain the dopant.
さらに、第1合金製造工程において溶解・鋳造法を用いた場合、Biの揮発による組成ズレが起きやすい。このような場合には、第1合金及び第2合金に加えて、Biをさらに配合しても良い。Bi配合量は、少なくとも第1合金製造時に揮発したBiを補うことができる量であれば良い。Bi配合量が過剰であっても、過剰なBiは後工程での加熱時に揮発するが、必要以上の配合は実益がない。最適なBi配合量は、第1合金製造工程におけるBiの揮発の程度や、後工程の条件等に応じて選択する。 Furthermore, when the melting / casting method is used in the first alloy manufacturing process, composition deviation due to the volatilization of Bi is likely to occur. In such a case, Bi may be further blended in addition to the first alloy and the second alloy. The Bi compounding amount may be an amount that can supplement at least Bi that has volatilized during the production of the first alloy. Even if the amount of Bi is excessive, excess Bi volatilizes during heating in the post-process, but adding more than necessary is not beneficial. The optimum Bi blending amount is selected according to the degree of Bi volatilization in the first alloy manufacturing process, the conditions of the subsequent process, and the like.
[3.4. 仮焼工程]
仮焼工程は、配合工程で得られた配合物を仮焼する工程である。これにより、粉末間で固相反応が生じ、目的とする組成を有するハーフホイスラー化合物が得られる。
仮焼は、配合工程で得られた配合物を成形し、所定の温度で加熱することにより行う。加熱温度は、ハーフホイスラー化合物の組成に応じて最適な温度を選択する。また、仮焼は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
[3.4. Calcination process]
The calcining step is a step of calcining the blend obtained in the blending step. Thereby, a solid phase reaction occurs between the powders, and a half-Heusler compound having a target composition is obtained.
The calcination is performed by molding the blend obtained in the blending step and heating it at a predetermined temperature. As the heating temperature, an optimum temperature is selected according to the composition of the half-Heusler compound. The calcination is preferably performed in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.
また、仮焼方法には、配合物を真空封入し、熱処理する方法(第2封入・熱処理工程)を用いても良い。仮焼方法として真空封入法を用いると、仮焼時におけるBiの揮発を抑制することができる。
配合物を真空封入するための封入管の材質は、特に限定されるものではなく、原料との反応性に乏しいものであれば良い。封入管には、通常、石英管が用いられる。
Further, as the calcination method, a method (second encapsulation / heat treatment step) in which the compound is vacuum-encapsulated and heat-treated may be used. When the vacuum encapsulation method is used as the calcination method, Bi volatilization during calcination can be suppressed.
The material of the sealing tube for vacuum-sealing the compound is not particularly limited as long as it has poor reactivity with the raw material. A quartz tube is usually used as the enclosing tube.
[3.5 急冷工程]
急冷工程は、仮焼工程で得られた仮焼物を再溶解させ、溶湯を急冷凝固させる工程である。仮焼工程で得られた仮焼物は、必要に応じて適度に粉砕した後、そのまま各種の用途に用いることができる。従って、急冷工程は、必ずしも必要な工程ではないが、仮焼物をさらに急冷凝固すると、異相の存在割合が少ない熱電材料が得られる。
[3.5 Rapid cooling process]
The rapid cooling process is a process in which the calcined product obtained in the calcining process is remelted and the molten metal is rapidly solidified. The calcined product obtained in the calcining step can be used for various purposes as it is after being appropriately pulverized as necessary. Therefore, the rapid cooling process is not necessarily a necessary process, but if the calcined product is further rapidly solidified by solidification, a thermoelectric material with a small proportion of different phases can be obtained.
急冷凝固は、ノズルを用いて溶湯を冷却媒体に噴霧又は滴下することにより行う。急冷凝固において、ノズルには、一般に石英ノズルが用いられるが、本発明においては、窒化ホウ素製ノズルを用いるのが好ましい。窒化ホウ素製ノズルは希土類元素を含む溶湯との反応性に乏しいので、これを用いて急冷凝固を行うと、組成ズレや不純物の混入、及びこれらに起因する熱電特性の低下を抑制することができる。
急冷凝固方法としては、具体的には、
(1) 窒化ホウ素製ノズル内で溶融させた溶湯を、回転する銅ロール(冷却媒体)上に噴霧又は滴下する方法(銅ロール法)、
(2) 窒化ホウ素製ノズル内で溶融させた溶湯をノズル穴から噴霧又は滴下させ、溶湯の流れに周囲からジェット流体を吹きつけ、生成した液滴を落下させながら凝固させる方法(アトマイズ法)、
などがある。
急冷凝固方法としてアトマイズ法を用いる場合、溶湯の酸化を防ぐために、ジェット流体には、不活性ガス(例えば、Arなど)を用いるのが好ましい。
Rapid solidification is performed by spraying or dripping molten metal onto a cooling medium using a nozzle. In the rapid solidification, a quartz nozzle is generally used as the nozzle, but in the present invention, a boron nitride nozzle is preferably used. Boron nitride nozzles are poorly reactive with molten metal containing rare earth elements, and rapid solidification using them can suppress compositional deviations and contamination of impurities, and deterioration of thermoelectric properties caused by these. .
Specifically, as a rapid solidification method,
(1) A method (copper roll method) in which molten metal melted in a boron nitride nozzle is sprayed or dropped on a rotating copper roll (cooling medium),
(2) A method in which molten metal melted in a boron nitride nozzle is sprayed or dripped from a nozzle hole, a jet fluid is blown from the surroundings to the molten metal flow, and the generated liquid droplets are solidified while being dropped (atomizing method).
and so on.
When the atomizing method is used as the rapid solidification method, it is preferable to use an inert gas (for example, Ar) for the jet fluid in order to prevent oxidation of the molten metal.
窒化ホウ素製ノズルは、そのまま使用しても良いが、原料を溶解する前に、予め不活性ガス雰囲気下(例えば、Ar、N2など)において600℃以上で加熱処理したものを用いるのが好ましい。製造直後の窒化ホウ素には、ガスや水分が吸着しているが、これを所定の条件下で熱処理すると、吸着ガスや吸着水が除去されるので、不純物(特に、O)の混入を最小限に抑制することができる。
急冷時の冷却速度は、100℃/sec以上が好ましい。冷却速度が100℃/sec未満であると、成分元素が偏析し、均一な固溶体が得られない場合があある。均一な固溶体を得るためには、冷却速度は、速いほどよい。
The boron nitride nozzle may be used as it is, but it is preferable to use a nozzle that has been heat-treated at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere (eg, Ar, N 2, etc.) in advance before the raw material is dissolved. . Immediately after production, boron nitride adsorbs gas and moisture, but if this is heat-treated under specified conditions, the adsorbed gas and adsorbed water are removed, so that the contamination of impurities (especially O) is minimized. Can be suppressed.
The cooling rate during the rapid cooling is preferably 100 ° C./sec or more. When the cooling rate is less than 100 ° C./sec, the component elements are segregated and a uniform solid solution may not be obtained. In order to obtain a uniform solid solution, the faster the cooling rate, the better.
[3.6. 焼結工程]
焼結工程は、仮焼工程で得られた仮焼物又は急冷工程で得られた凝固物を粉砕、成形及び焼結させる工程である。仮焼物又は凝固物は、必要に応じて適度に粉砕した後、そのまま各種の用途に用いることができる。従って、焼結工程は、必ずしも必要な工程ではないが、バルクの状態で使用するときには、通常、焼結を行う。
粉末状のハーフホイスラー化合物を焼結させる場合、その焼結方法には、種々の方法を用いることができる。焼結方法としては、具体的には、常圧焼結法、ホットプレス、HIP、放電プラズマ焼結法(SPS)などがある。これらの中でも、放電プラズマ焼結法は、短時間で緻密な焼結体が得られるので、焼結方法として特に好適である。
焼結条件(例えば、焼結温度、焼結時間、焼結時の加圧力、焼結時の雰囲気等)は、ハーフホイスラー化合物の組成、使用する焼結方法等に応じて、最適なものを選択する。
例えば、放電プラズマ焼結法を用いる場合、焼結温度は、ハーフホイスラー化合物の融点以下が好ましく、加圧力は、20MPa以上が好ましい。また、加圧力を20MPa以上とすると、緻密な焼結体を得ることができる。焼結時間は、緻密な焼結体が得られるように、焼結温度に応じて最適な時間を選択する。
[3.6. Sintering process]
The sintering step is a step of pulverizing, molding and sintering the calcined product obtained in the calcining step or the solidified product obtained in the rapid cooling step. The calcined product or the solidified product can be used for various applications as it is after being appropriately pulverized as necessary. Accordingly, the sintering process is not necessarily a necessary process, but when used in a bulk state, the sintering is usually performed.
When a powdered half-Heusler compound is sintered, various methods can be used for the sintering method. Specific examples of the sintering method include atmospheric pressure sintering, hot pressing, HIP, and discharge plasma sintering (SPS). Among these, the discharge plasma sintering method is particularly suitable as a sintering method because a dense sintered body can be obtained in a short time.
Sintering conditions (for example, sintering temperature, sintering time, applied pressure during sintering, atmosphere during sintering, etc.) should be optimized according to the composition of the half-Heusler compound, the sintering method used, etc. select.
For example, when using the discharge plasma sintering method, the sintering temperature is preferably not higher than the melting point of the half-Heusler compound, and the applied pressure is preferably not less than 20 MPa. Further, when the applied pressure is 20 MPa or more, a dense sintered body can be obtained. As the sintering time, an optimal time is selected according to the sintering temperature so that a dense sintered body can be obtained.
焼結体に含まれる異相の存在割合は、真空封入工程や急冷工程の有無だけでなく、焼結温度にも依存する。焼結体に含まれる異相は、マトリックスと反応することによって消滅する第1の異相と、マトリックスが分解することにより生成する第2の異相に大別される。一般に、焼結温度が低すぎると、粉末中に含まれる第1の異相がそのまま焼結体中に残留しやすい。粉末中に含まれる第1の異相をマトリックスと反応させ、異相の存在割合を低下させるためには、焼結温度は、800℃以上が好ましい。
一般に、焼結温度が高くなるほど、粉末中に含まれていた第1の異相とマトリックスとの反応が促進され、異相の存在割合が低下する。しかしながら、焼結温度が高くなりすぎると、マトリックスが分解し、新たな第2の異相が生成する。従って、焼結温度は、950℃以下が好ましい。
The existence ratio of the heterogeneous phase contained in the sintered body depends not only on the presence or absence of the vacuum sealing process or the rapid cooling process but also on the sintering temperature. The heterogeneous phase contained in the sintered body is roughly classified into a first heterogeneous phase that disappears by reacting with the matrix and a second heterogeneous phase that is generated when the matrix decomposes. In general, if the sintering temperature is too low, the first heterogeneous phase contained in the powder tends to remain in the sintered body as it is. In order to cause the first heterogeneous phase contained in the powder to react with the matrix and reduce the proportion of the heterogeneous phase, the sintering temperature is preferably 800 ° C. or higher.
In general, the higher the sintering temperature, the more the reaction between the first heterogeneous phase contained in the powder and the matrix is promoted, and the heterogeneous ratio is reduced. However, if the sintering temperature becomes too high, the matrix decomposes and a new second heterogeneous phase is generated. Therefore, the sintering temperature is preferably 950 ° C. or lower.
[3.7 その他の工程]
粉末を焼結した後、焼結体を所定の温度に保持するアニール処理を行っても良い。焼結体に対してアニール処理を施すと、成分元素の偏析や4cサイトの格子欠陥等を除去することができる。
アニール処理の温度は、700℃以上ハーフホイスラー化合物の融点以下が好ましい。アニール処理温度が700℃未満であると、十分な効果が得られない。
アニール処理時間は、アニール処理温度に応じて、最適な時間を選択する。一般に、アニール処理温度が高くなるほど、短時間で偏析や格子欠陥を除去することができる。通常は、数時間〜数十時間である。
[3.7 Other steps]
After the powder is sintered, an annealing treatment for holding the sintered body at a predetermined temperature may be performed. When annealing is performed on the sintered body, segregation of component elements, lattice defects at the 4c site, and the like can be removed.
The annealing temperature is preferably 700 ° C. or higher and the melting point of the half-Heusler compound or lower. If the annealing temperature is less than 700 ° C., sufficient effects cannot be obtained.
As the annealing time, an optimum time is selected according to the annealing temperature. In general, as the annealing temperature increases, segregation and lattice defects can be removed in a shorter time. Usually, it is several hours to several tens of hours.
また、仮焼物、急冷凝固物又は焼結体を粉砕して粉末とした後、これを他の材料と複合化させても良い。さらに、仮焼物に代えて焼結体を溶融させ、急冷凝固させても良い。
あるいは、
(1) 上記の第1合金及び第2合金に過剰なBiを配合し、Biをフラックスとして用いて単結晶を成長させるBiフラックス法、あるいは、
(2) 仮焼物、急冷凝固物又は焼結体を出発原料に用いて、材料を部分的に溶融させながら単結晶化させるフローティングゾーン(FZ)法、
等によって、ハーフホイスラー化合物からなる単結晶を作製しても良い。
Moreover, after calcining a calcined product, a rapidly solidified product, or a sintered body to form a powder, it may be combined with another material. Furthermore, instead of the calcined product, the sintered body may be melted and rapidly solidified.
Or
(1) Bi flux method in which excessive Bi is mixed into the first alloy and the second alloy, and a single crystal is grown using Bi as a flux, or
(2) Floating zone (FZ) method in which calcined material, rapidly solidified material or sintered body is used as a starting material, and the material is partially melted and single-crystallized.
A single crystal made of a half-Heusler compound may be produced by, for example.
[4. 熱電材料及びその製造方法の作用]
次に、本発明に係る熱電材料及びその製造方法の作用について説明する。
一般式:RENiBiで表されるハーフホイスラー化合物は、高価な元素及び有害な元素を含まず、中温域で使用できるp型熱電材料である。しかしながら、この系は、NiとREあるいはBiとの結合力が低いため、通常の溶解・鋳造法を用いて作製すると、RE+NiBiやREBi+Niに分解しやすい。REやREBiは、極めて酸化しやすいので、分相が生じると耐酸化性や安定性が著しく低下する。また、REやREBiは、熱電特性が低いので、分相は熱電特性の低下も引き起こす。
これに対し、一般式:RENiBiで表されるハーフホイスラー化合物において、Niサイト(4cサイト)の全部又は一部をPd及び/又はPtで置換すると、耐酸化性及び安定性、並びに、熱電特性が向上する。これは、PdやPtは、Niに比べてREやBiとの結合力が強いために、分相が抑制されるためと考えられる。特に、Niサイトの一部をPd及び/又はPtで置換すると、熱電特性が向上するだけでなく、高価なPd及びPtの使用量を減らすことができる。
[4. Operation of thermoelectric material and manufacturing method thereof]
Next, the effect | action of the thermoelectric material which concerns on this invention, and its manufacturing method is demonstrated.
The half-Heusler compound represented by the general formula: RENiBi is a p-type thermoelectric material that does not contain expensive elements and harmful elements and can be used in an intermediate temperature range. However, since this system has a low binding force between Ni and RE or Bi, it is likely to be decomposed into RE + NiBi and REBi + Ni when produced using a normal melting / casting method. Since RE and REBi are very easy to oxidize, oxidation resistance and stability are significantly reduced when phase separation occurs. Moreover, since RE and REBi have low thermoelectric characteristics, phase separation also causes deterioration of thermoelectric characteristics.
On the other hand, in the half-Heusler compound represented by the general formula: RENiBi, when all or part of the Ni site (4c site) is substituted with Pd and / or Pt, oxidation resistance and stability, and thermoelectric properties are obtained. improves. This is probably because Pd and Pt have a stronger binding force with RE and Bi than Ni, and thus phase separation is suppressed. In particular, when a part of the Ni site is replaced with Pd and / or Pt, not only the thermoelectric characteristics are improved, but also the amount of expensive Pd and Pt used can be reduced.
また、有害な元素を含まないp型ハーフホイスラー化合物としては、ErPdBiなどが報告されている。しかしながら、従来知られているp型ハーフホイスラー化合物は、熱電特性が低いため、その熱電特性を改善する必要がある。
熱電材料の特性は、バンド構造やキャリア濃度に依存して変化する。一般に、バンドギャップが小さいとキャリア移動度は大きいが、高温で熱電性能が低下する。逆に、バンドギャップが大きすぎると絶縁体となり、熱電材料として適さない。バンド構造は、各サイトを占める元素のイオン半径や価数によってある程度制御可能である。
希土類元素をベースとするRENiBi系ハーフホイスラー化合物において、REサイト、Niサイト、及びBiサイトのいずれか1以上をイオン半径の異なる同族元素で置換すると、バンドギャップが変化する。特に、REサイトを占める希土類元素のイオン半径を変化させると、バンドギャップを容易に制御することができる。そのため、各サイトを占める元素(特に、REサイトを占める希土類元素)のイオン半径を最適化することによって、熱電特性を向上させることができる。
Moreover, ErPdBi etc. are reported as a p-type half-Heusler compound which does not contain a harmful element. However, since the conventionally known p-type half-Heusler compound has low thermoelectric properties, it is necessary to improve the thermoelectric properties.
The properties of thermoelectric materials vary depending on the band structure and carrier concentration. In general, when the band gap is small, the carrier mobility is large, but the thermoelectric performance deteriorates at a high temperature. Conversely, if the band gap is too large, it becomes an insulator and is not suitable as a thermoelectric material. The band structure can be controlled to some extent by the ionic radius and valence of the element occupying each site.
In a RENiBi-based half-Heusler compound based on a rare earth element, the band gap is changed when any one or more of the RE site, Ni site, and Bi site are replaced with a homologous element having different ionic radii. In particular, the band gap can be easily controlled by changing the ion radius of the rare earth element occupying the RE site. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved by optimizing the ionic radius of the element occupying each site (particularly, the rare earth element occupying the RE site).
また、各サイトを占める元素を価数の異なる元素で置換すると、キャリア濃度を制御することができる。そのため、RENiBi系ハーフホイスラー化合物において、REサイト、Niサイト、及びBiサイトのいずれか1以上を価数の異なる元素で置換すると、熱電特性が向上する。また、置換元素の種類及び量を最適化することによって、熱電特性の高いp型ハーフホイスラー化合物だけでなく、n型ハーフホイスラー化合物も得られる。 Also, the carrier concentration can be controlled by substituting the elements occupying each site with elements having different valences. Therefore, in the RENiBi half-Heusler compound, if any one or more of the RE site, Ni site, and Bi site are replaced with elements having different valences, thermoelectric characteristics are improved. In addition, by optimizing the type and amount of the substitution element, not only a p-type half-Heusler compound having high thermoelectric properties but also an n-type half-Heusler compound can be obtained.
さらに、RENiBi系ハーフホイスラー化合物を構成するすべての元素を同時に溶解させると、Biの揮発により、組成ズレが生じやすい。また、REとBiとの親和性が高いために、これらを同時に溶解させると、これらが溶解して混ざり合う瞬間に激しい反応が生じ、構成元素が飛び散り、更なる組成ズレや不均一化が生じる。
これに対し、揮発性の高いBiを含むp型ハーフホイスラー化合物を合成する場合において、組成制御のしやすい2種以上の合金を作製し、これらを所定の比率で混合し、固相反応で試料合成を行うと、組成制御性が改善され、特性を向上させることができる。
Furthermore, when all the elements constituting the RENiBi half-Heusler compound are dissolved at the same time, composition deviation is likely to occur due to the volatilization of Bi. In addition, since the affinity between RE and Bi is high, if they are dissolved at the same time, a vigorous reaction occurs at the moment when they are dissolved and mixed, the constituent elements are scattered, and further compositional deviation and non-uniformity occur. .
On the other hand, when synthesizing a p-type half-Heusler compound containing highly volatile Bi, two or more kinds of alloys that are easy to control the composition are prepared, mixed at a predetermined ratio, and sampled by solid-phase reaction When the synthesis is performed, the composition controllability is improved and the characteristics can be improved.
また、RENiBi系ハーフホイスラー化合物は、製造工程で異相を生じやすく、異相の少ない材料が得られた例は、従来にはない。電気伝導度σの高い異相の共存は、系全体の電気伝導度σを高めていた。この高い電気伝導度σは、熱伝導度κの増大の原因となり、極端な熱伝導度κの増大は、性能指数Zの低下の原因となる。
これに対し、仮焼物に対して急冷凝固を行うと、過度に電気伝導度σを低下させることなく、熱伝導度κを低減することができる。
これは、
(1) 急冷凝固によって異相の存在割合が減少するため、及び、
(2) 急冷によって結晶粒子径が小さくなり、フォノンの散乱源である粒界の面積が増大するため、
と考えられる。
また、急冷凝固を行う場合において、一般的に使用される石英ノズルを用いると、溶湯とノズルが反応し、組成ズレや不純物の混入が生じる。組成ズレや不純物の混入は、ゼーベック係数を低下させる原因となる。これに対し、窒化ホウ素製ノズルを用いて急冷凝固を行うと、溶湯との反応が抑制され、ゼーベック係数を増大させることができる。
In addition, RENiBi-based half-Heusler compounds easily generate heterogeneous phases in the production process, and there has been no example in which a material with few heterogeneous phases has been obtained. The coexistence of different phases having a high electric conductivity σ increased the electric conductivity σ of the entire system. This high electrical conductivity σ causes an increase in thermal conductivity κ, and an extreme increase in thermal conductivity κ causes a decrease in the figure of merit Z.
On the other hand, when rapid solidification is performed on the calcined product, the thermal conductivity κ can be reduced without excessively reducing the electrical conductivity σ.
this is,
(1) Due to the rapid solidification, the proportion of foreign phases decreases, and
(2) The crystal grain size is reduced by rapid cooling, and the area of grain boundaries that are phonon scattering sources increases.
it is conceivable that.
Further, in the case of performing rapid solidification, if a commonly used quartz nozzle is used, the molten metal reacts with the nozzle, resulting in a composition shift or mixing of impurities. Compositional deviation and contamination with impurities cause a decrease in Seebeck coefficient. In contrast, when rapid solidification is performed using a boron nitride nozzle, reaction with the molten metal is suppressed, and the Seebeck coefficient can be increased.
さらに、第1合金を製造する場合において溶解・鋳造法を用いたときには、溶解時のBiの揮発や凝固後のBiの共存を抑制できない。この共存Biは、固相反応(仮焼)のための加熱時に揮発するため、組成ズレの原因となる。
これに対し、第1合金を製造する場合において真空封入法を用いたときには、Biの揮発やBiの分相が抑制される。そのため、仮焼時の組成ズレが抑制され、性能の向上や再現性を改善できる。
同様に、配合物を仮焼する場合において真空封入法を用いたときには、仮焼時のBiの揮発及びこれに起因する組成ズレを抑制することができる。
Further, when the melting and casting method is used in manufacturing the first alloy, it is not possible to suppress the volatilization of Bi during melting and the coexistence of Bi after solidification. This coexisting Bi volatilizes during heating for the solid-phase reaction (calcination), causing a composition shift.
On the other hand, when the vacuum sealing method is used in manufacturing the first alloy, Bi volatilization and Bi phase separation are suppressed. Therefore, the composition shift at the time of calcination is suppressed, and the performance and reproducibility can be improved.
Similarly, when the compound is calcined and the vacuum encapsulation method is used, the volatilization of Bi at the time of calcining and the composition shift due to this can be suppressed.
(実施例1、比較例1〜4)
[1. 試料の作製]
[1.1. 作製法1(比較例1)]
組成がRE(Ni1-xPdx)Biとなるように、RE、Ni、Pd、及びBiを混合し、10-6Torr(1.33×10-4Pa)台の真空にした。Arガスを導入して、チャンバー圧が0.5気圧(0.5×105Pa)になるまで置換し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、目的のハーフホイスラー相を作製した。
[1.2. 作製法2(比較例2)]
組成が(Ni1-xPdx)Bi2となるように、Ni、Pd、及びBiを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、(Ni1-xPdx)Bi2合金を得た。これにREを加えて再度、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、目的のハーフホイスラー相を得た。
(Example 1, Comparative Examples 1-4)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Production Method 1 (Comparative Example 1)]
RE, Ni, Pd, and Bi were mixed so that the composition was RE (Ni 1-x Pd x ) Bi, and a vacuum of 10 −6 Torr (1.33 × 10 −4 Pa) was applied. Ar gas was introduced and replaced until the chamber pressure became 0.5 atm (0.5 × 10 5 Pa) and dissolved by an arc melting method or a high-frequency melting method to produce a target half-Heusler phase.
[1.2. Production Method 2 (Comparative Example 2)]
Ni, Pd, and Bi are weighed so that the composition is (Ni 1-x Pd x ) Bi 2 , dissolved by arc melting method or high frequency melting method, and (Ni 1-x Pd x ) Bi 2 alloy is obtained. Obtained. RE was added to this and again melted by an arc melting method or a high-frequency melting method to obtain a target half-Heusler phase.
[1.3. 作製法3(比較例3)]
組成が(Ni1-x'Pdx')Bi2となるように、Ni、Pd、及びBiを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、(Ni1-x'Pdx')Bi2合金を得た。合成後の重量減少量からBiの揮発量を推測し、その合成された(Ni1-x'Pdx')Bi2と合わせた全体の組成がRE(Ni1-xPdx)Biとなるように、RE、Ni、及びPdを秤量し、同様に溶解して、RE2(Ni1-x"Pdx")合金を得た。
合成したこれらの合金を配合し、アーク溶解法又は高周波溶解法で溶解し、目的のハーフホイスラー相を得た。
[1.4. 作製法4(比較例4)]
組成がRE(Ni1-xPdx)となるように、RE、Ni、及びPdを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、合金化した。この合金をグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、全体の組成がRE(Ni1-xPdx)Biとなるように、粉砕した合金にBiを加えて混合した。この混合物を焼結し、目的のハーフホイスラー相を得た。
[1.3. Production Method 3 (Comparative Example 3)]
Ni, Pd, and Bi are weighed so that the composition is (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 , dissolved by arc melting method or high frequency melting method, and (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) A Bi 2 alloy was obtained. The volatilization amount of Bi is estimated from the weight loss after synthesis, and the total composition combined with the synthesized (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 is RE (Ni 1-x Pd x ) Bi. Thus, RE, Ni, and Pd were weighed and dissolved in the same manner to obtain a RE 2 (Ni 1-x " Pd x" ) alloy.
These synthesized alloys were blended and melted by an arc melting method or a high frequency melting method to obtain a target half-Heusler phase.
[1.4. Production Method 4 (Comparative Example 4)]
RE, Ni, and Pd were weighed so that the composition would be RE (Ni 1-x Pd x ), and melted by an arc melting method or a high frequency melting method to form an alloy. This alloy was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box, and Bi was added to the pulverized alloy and mixed so that the total composition would be RE (Ni 1-x Pd x ) Bi. This mixture was sintered to obtain the desired half-Heusler phase.
[1.5. 作製法5(実施例1)]
組成が(Ni1-x'Pdx')Bi2となるように、Ni、Pd、及びBiを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、(Ni1-x'Pdx')Bi2合金を得た。合成後の重量減少量からBiの揮発量を推測し、その合成された(Ni1-x'Pdx')Bi2と合わせた全体の組成がRE(Ni1-xPdx)Biとなるように、RE、Ni、及びPdを秤量し、同様に溶解して、RE2(Ni1-x"Pdx")合金を得た。
合成したこれらの合金をそれぞれグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、全体の組成がRE(Ni1-xPdx)Biとなるように秤量し、これらを混合した。混合粉末は、同じくグローブボックス中、50MPaの圧力で成形した。成形体は、Arフロー中、600℃で仮焼し、目的のハーフホイスラー相を得た。
[1.5. Production Method 5 (Example 1)]
Ni, Pd, and Bi are weighed so that the composition is (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 , dissolved by arc melting method or high frequency melting method, and (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) A Bi 2 alloy was obtained. The volatilization amount of Bi is estimated from the weight loss after synthesis, and the total composition combined with the synthesized (Ni 1-x ′ Pd x ′ ) Bi 2 is RE (Ni 1-x Pd x ) Bi. Thus, RE, Ni, and Pd were weighed and dissolved in the same manner to obtain a RE 2 (Ni 1-x " Pd x" ) alloy.
These synthesized alloys were pulverized in a glove box and in an Ar atmosphere, respectively, weighed so that the total composition would be RE (Ni 1-x Pd x ) Bi, and mixed. The mixed powder was molded at a pressure of 50 MPa in the same glove box. The molded body was calcined at 600 ° C. in an Ar flow to obtain a target half-Heusler phase.
[2. 実験方法]
得られた試料のX線回折パターンを測定した。
[2. experimental method]
The X-ray diffraction pattern of the obtained sample was measured.
[3. 結果]
アーク溶解法又は高周波溶解法のみを用いた作製法1〜3では、Biの揮発により3〜5%程度の重量減少があり、組成ズレが生じた。さらに、Y等のREとBiの親和性が高いために、REとBiが溶解して混ざり合う瞬間に激しい反応が生じ、構成元素が飛び散り、さらなる組成ズレや不均一化が生じた。
一方、アーク溶解法又は高周波溶解法と加熱処理により固相反応を組み合わせた2段階合成法(作製法4、5)では、このようなREとBiの激しい反応を抑えることが可能であった。但し、作製法4で合成した試料は、低融点のBiが最初に溶解して、それが混合粉末成形体の外に染み出し、温度上昇とともに揮発するため、Biの組成ズレが大きい。
これに対し、作製法5で合成した試料では、Biの揮発量を0.5wt%以下に抑制可能であった。
[3. result]
In the production methods 1 to 3 using only the arc melting method or the high frequency melting method, there was a weight loss of about 3 to 5% due to the volatilization of Bi, and a compositional deviation occurred. Further, since the affinity between RE such as Y and Bi is high, a vigorous reaction occurs at the moment when RE and Bi are dissolved and mixed, the constituent elements are scattered, and further compositional deviation and non-uniformity occur.
On the other hand, in the two-step synthesis method (
On the other hand, in the sample synthesized by the
図2に、作製法1〜3、5で作製したYNiBiのX線回折パターンを示す。作製法1〜3で合成した試料では、組成ズレにより最強線ピークにピークシフトが確認された。一方、作製法5で合成した試料では、ピークシフトや分裂がなく、組成ズレや不均一性を抑制できることが確認された。
表2に、作製法1〜3、5で合成したYNiBiの最強線ピーク(I220)のピークシフトを示す。作製法1〜3で合成した試料では、文献値と比べて0.30°以上のシフトが生じた。一方、作製法5で合成した場合には、ピークシフト量は、±0.010°以下であった。
FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of YNiBi produced by the production methods 1 to 5. In the samples synthesized by the production methods 1 to 3, the peak shift was confirmed at the strongest peak due to the composition shift. On the other hand, it was confirmed that the sample synthesized by the
Table 2 shows the peak shift of the strongest peak (I 220 ) of YNiBi synthesized by the production methods 1 to 5. In the samples synthesized by the production methods 1 to 3, a shift of 0.30 ° or more occurred as compared with the literature value. On the other hand, when synthesized by the
表3に、作製法5で合成したRE(Ni0.5Pd0.5)Biの最強線ピーク(I220)のピークシフトを示す。作製法5で合成することによって、RE(Ni0.5Pd0.5)Biの最強線ピークは、計算値と比較して、±0.07°の範囲内のシフトに収まった。
Table 3 shows the peak shift of the strongest peak (I 220 ) of RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi synthesized by the
(実施例2)
第一原理計算により、RENiBi、REPdBi、及びREPtBiの格子定数、バンド構造、形成エネルギー、及び凝集エネルギーを計算した。図3に、希土類元素REのイオン半径とREMBi(M=Ni、Pd、Pt)の格子定数との関係を示す。図4に、イオン半径とREMBiの形成エネルギーとの関係を示す。図5〜図7に、それぞれ、REPtBi、REPdBi、及びRENiBiのイオン半径とガンマ点でのバンドギャップとの関係を示す。
第一原理計算より、Niサイトの元素は、Ni<Pd<Ptの順に系を安定化することが確認された(図4参照)。さらに、バンドギャップは、希土類元素REのイオン半径が大きくなるに従って増大する点、及び、Pt<Pd<Niの順に増大する点が確認された(図5〜図7参照)。
(Example 2)
The lattice constant, band structure, formation energy, and cohesive energy of RENiBi, REPdBi, and REPtBi were calculated by first-principles calculation. FIG. 3 shows the relationship between the ionic radius of the rare earth element RE and the lattice constant of REMMi (M = Ni, Pd, Pt). FIG. 4 shows the relationship between the ion radius and the formation energy of REMBi. 5 to 7 show the relationship between the ionic radius of REPtBi, REPdBi, and RENiBi and the band gap at the gamma point, respectively.
From the first principle calculation, it was confirmed that the elements at the Ni site stabilize the system in the order of Ni <Pd <Pt (see FIG. 4). Furthermore, it was confirmed that the band gap increases as the ion radius of the rare earth element RE increases and increases in the order of Pt <Pd <Ni (see FIGS. 5 to 7).
(実施例3)
[1. 試料の作製]
作製法5(実施例1)を用いて、Y(Ni1-xPdx)Bi(但し、x=0〜1.0)を合成した。合成したハーフホイスラーをグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、放電プラズマ装置で、950℃、50MPaの条件で焼結した。
[2. 実験方法]
[2.1. 酸化試験]
Y(Ni1-xPdx)Biにおいて、NiサイトをPdで置換することに伴う耐酸化性改善効果を確認するために、焼結体を酸化雰囲気中、400℃×1時間の加熱処理を行った。
酸化試験後、XRDにより異相の存在割合を測定した。異相の存在割合は、(a)式に従い、ハーフホイスラー相の最強線ピーク強度及び異相の最強線ピーク強度の和に対する異相の最強線ピーク強度の比として求めた。
さらに、SEM−EDX分析により、元素分析を行った。
[2.2. 熱電特性]
焼結体から棒状試料を切り出し、ゼーベック係数S及び電気伝導度σを測定した。また、測定されたゼーベック係数S及び電気伝導度σを用いて、出力因子PFを算出した。
Example 3
[1. Preparation of sample]
Using production method 5 (Example 1), Y (Ni 1-x Pd x ) Bi (where x = 0 to 1.0) was synthesized. The synthesized half-Heusler was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box, and sintered in a discharge plasma apparatus at 950 ° C. and 50 MPa.
[2. experimental method]
[2.1. Oxidation test]
In Y (Ni 1-x Pd x ) Bi, in order to confirm the effect of improving the oxidation resistance accompanying the substitution of Ni sites with Pd, the sintered body was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 1 hour in an oxidizing atmosphere. went.
After the oxidation test, the presence ratio of the heterogeneous phase was measured by XRD. The presence ratio of the different phase was determined as a ratio of the strongest peak intensity of the different phase to the sum of the strongest peak intensity of the half-Heusler phase and the highest peak intensity of the different phase according to the equation (a).
Furthermore, elemental analysis was performed by SEM-EDX analysis.
[2.2. Thermoelectric characteristics]
A rod-shaped sample was cut out from the sintered body, and the Seebeck coefficient S and electrical conductivity σ were measured. Further, the output factor PF was calculated using the measured Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ.
[3. 結果]
[3.1. 酸化試験]
表4に、酸化試験後の試料の外観及び異相割合を示す。YNiBiでは、酸化試験後の試料表面は完全に黒くなっていた。これに対し、Pd置換量が増加するに従って耐酸化性が向上し、金属光沢を保っているのが確認された。
また、異相の存在割合を求めたところ、Pd置換量の増加に伴い、分相が抑制されることが確認された。
図8(a)及び図8(b)に、それぞれ、YNi0.5Pd0.5Bi、及び、YPdBiのSEM写真を示す。SEM−EDX分析により、Y(Ni0.5Pd0.5)Biは、ハーフホイスラー相と異相に分離しており、分解生成したNi相が全面に分布しているのが確認された。また、共存するY相及びY−Bi相は、酸素と結合しており、分相が酸化の原因であることが確認された。一方、YPdBiでは、分相が少ないため、酸化しにくくなっているのが明らかになった。
[3. result]
[3.1. Oxidation test]
Table 4 shows the appearance and the ratio of different phases of the sample after the oxidation test. In YNiBi, the sample surface after the oxidation test was completely black. On the other hand, it was confirmed that the oxidation resistance was improved and the metallic luster was maintained as the Pd substitution amount increased.
Further, when the existence ratio of the heterogeneous phase was determined, it was confirmed that the phase separation was suppressed as the Pd substitution amount increased.
8A and 8B show SEM photographs of YNi 0.5 Pd 0.5 Bi and YPdBi, respectively. By SEM-EDX analysis, Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi was separated into a half-Heusler phase and a different phase, and it was confirmed that the decomposed Ni phase was distributed over the entire surface. Moreover, it was confirmed that the coexisting Y phase and Y-Bi phase are bonded to oxygen, and the phase separation is the cause of oxidation. On the other hand, it was revealed that YPdBi is difficult to oxidize because there are few phase separations.
[3.2. 熱電特性]
図9に、Y(Ni1-xPdx)Biのゼーベック係数Sの温度依存性を示す。また、図10に、Pd置換量xと出力因子PFとの関係を示す。図9に示すように、ゼーベック係数の温度係数は、Pd置換量xによらず、温度の上昇に伴い負から正に転じた。ゼーベック係数Sのピーク温度は、Pd置換量xの増加に伴って、低温側にシフトする傾向が確認された。温度係数の符号の変化は、不純物領域から真性領域に温度域がシフトするときに起きると考えられるため、バンドギャップの変化を反映していると考えられる。これは、第一原理計算で予測されたように、Pd置換に伴うバンドギャップの減少傾向と一致する。
但し、ゼーベック係数の値自身は、Pd置換量が増えるに従い、増加する傾向が見られた。これは、バンド構造の変化と分相の減少が影響していると考えられる。その結果、出力因子PFは、図10に示すように、Pd置換量xが約70%のところで極大となることが確認された。
[3.2. Thermoelectric characteristics]
FIG. 9 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient S of Y (Ni 1-x Pd x ) Bi. FIG. 10 shows the relationship between the Pd substitution amount x and the output factor PF. As shown in FIG. 9, the temperature coefficient of the Seebeck coefficient turned from negative to positive as the temperature increased regardless of the Pd substitution amount x. It was confirmed that the peak temperature of the Seebeck coefficient S tends to shift to the low temperature side as the Pd substitution amount x increases. Since the change in the sign of the temperature coefficient is considered to occur when the temperature region shifts from the impurity region to the intrinsic region, it is considered that the change in the band gap is reflected. This is consistent with the decreasing tendency of the band gap accompanying Pd substitution, as predicted by the first principle calculation.
However, the value of the Seebeck coefficient itself tended to increase as the Pd substitution amount increased. This is thought to be due to the change in the band structure and the decrease in phase separation. As a result, it was confirmed that the output factor PF was maximized when the Pd substitution amount x was about 70%, as shown in FIG.
(実施例4)
[1. 試料の作製]
作製法5(実施例1)を用いて、REPdBi、及び、RE(Ni0.5Pd0.5)Biを合成した。合成したハーフホイスラーをグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、放電プラズマ装置で、950℃、50MPaの条件で焼結した。
[2. 実験方法]
焼結体から棒状試料を切り出し、ゼーベック係数S及び電気伝導度σを測定した。また、測定されたゼーベック係数S及び電気伝導度σを用いて、出力因子PFを算出した。
Example 4
[1. Preparation of sample]
REPdBi and RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi were synthesized using Production Method 5 (Example 1). The synthesized half-Heusler was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box, and sintered in a discharge plasma apparatus at 950 ° C. and 50 MPa.
[2. experimental method]
A rod-shaped sample was cut out from the sintered body, and the Seebeck coefficient S and electrical conductivity σ were measured. Further, the output factor PF was calculated using the measured Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ.
[3. 結果]
図11に、RE(Ni0.5Pd0.5)Biのゼーベック係数Sの温度依存性を示す。また、図12に、希土類置換に伴うRE(Ni0.5Pd0.5)Bi及びREPdBiの200℃における出力因子PFの変化を示す。図11に示すように、希土類元素REのイオン半径の増加に伴い、ゼーベック係数Sの温度依存性に変化が生じた。ゼーベック係数Sの温度係数は、希土類元素REのイオン半径が増大するに伴って、負から正に変化する傾向が確認された。これは、第一原理計算で予測された、希土類元素REのイオン半径の増大に伴うバンドギャップの増大を反映する結果である。希土類元素REのイオン半径が増大するに伴い、分相は促進される結果となった。
RE(Ni0.5Pd0.5)Biの出力因子PFは、図12に示すように、希土類元素REのイオン半径に依存して変化し、イオン半径0.105nm程度では、良好な出力因子PFが維持された。また、Y0.5Er0.5のように、2種類以上の希土類元素を組み合わせて、その平均イオン半径が0.105nmになるようにした場合でも、良好な出力因子PFの値が維持されることが確認された。
[3. result]
FIG. 11 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient S of RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi. FIG. 12 shows changes in the output factor PF at 200 ° C. for RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi and REPdBi accompanying rare earth substitution. As shown in FIG. 11, the temperature dependence of the Seebeck coefficient S changed as the ionic radius of the rare earth element RE increased. It has been confirmed that the temperature coefficient of the Seebeck coefficient S tends to change from negative to positive as the ion radius of the rare earth element RE increases. This is a result reflecting the increase in the band gap accompanying the increase in the ion radius of the rare earth element RE, which was predicted by the first principle calculation. As the ionic radius of the rare earth element RE increased, the phase separation was promoted.
As shown in FIG. 12, the output factor PF of RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi changes depending on the ion radius of the rare earth element RE, and a good output factor PF is maintained at an ion radius of about 0.105 nm. It was. In addition, even when two or more rare earth elements are combined such as Y 0.5 Er 0.5 so that the average ionic radius is 0.105 nm, it is confirmed that a good output factor PF value is maintained. It was done.
(実施例5)
[1. 試料の作製]
作製法5(実施例1)を用いて、(Y1-uZru)(Ni0.5Pd0.5)Bi、及び、Y{(Ni0.5Pd0.5)1-vCuv}Biを合成した。なお、Zrは、Biを含まない第2合金を製造する際に添加した。また、Cuは、REを含まない第1合金を製造する際に添加した。
合成したハーフホイスラーをグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、放電プラズマ装置で、950℃、50MPaの条件で焼結した。
[2. 実験方法]
焼結体から棒状試料を切り出し、ゼーベック係数S及び電気伝導度σを測定した。また、測定されたゼーベック係数S及び電気伝導度σを用いて、出力因子PFを算出した。
(Example 5)
[1. Preparation of sample]
(Y 1-u Zr u ) (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi and Y {(Ni 0.5 Pd 0.5 ) 1-v Cu v } Bi were synthesized using the production method 5 (Example 1). Zr was added when manufacturing the second alloy containing no Bi. Cu was added when the first alloy containing no RE was produced.
The synthesized half-Heusler was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box, and sintered in a discharge plasma apparatus at 950 ° C. and 50 MPa.
[2. experimental method]
A rod-shaped sample was cut out from the sintered body, and the Seebeck coefficient S and electrical conductivity σ were measured. Further, the output factor PF was calculated using the measured Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ.
[3. 結果]
図13に、出力因子PFの温度依存性を示す。また、図14に、Y(Ni0.5Pd0.5)に対するドーパント量と100℃における出力因子PFとの関係を示す。
Y(Ni0.5Pd0.5)BiのYサイトの一部をZrで置換した場合、及び、Niサイトの一部をCuで置換した場合のいずれも、1〜3at%程度の微量元素置換によって、出力因子PFが改善されることが確認された。これは、Yサイト又はNiサイトの元素を価数の異なる元素で置換することによって、キャリア濃度が変化したためである。
[3. result]
FIG. 13 shows the temperature dependence of the output factor PF. FIG. 14 shows the relationship between the dopant amount for Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) and the output factor PF at 100 ° C.
Both Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi Y site substituted with Zr and Ni site partially substituted with Cu are output by substituting about 1 to 3 at% of trace elements. It was confirmed that the factor PF was improved. This is because the carrier concentration was changed by substituting the Y site element or Ni site element with an element having a different valence.
(実施例6)
[1. 試料の作製]
[1.1 作製法1A(試料1、2、12、13):溶解鋳造法による第1合金の作製]
組成比がY(Ni1-xPdx)0.5となるように、Y、Ni及びPdを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、Y(Ni1-xPdx)0.5合金を得た。次に、組成比がBi2(Ni1-yPdy)となるように、Bi、Ni及びPdを秤量し、アーク溶解法又は高周波溶解法により溶解し、Bi2(Ni1-yPdy)合金を得た。
得られた2種類の合金をそれぞれグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、全体の組成がY(Ni0.5Pd0.5)Biとなるように秤量し、これらを混合した。混合粉末を成形し、600℃で仮焼し、目的のハーフホイスラー相を得た(作製法1A、試料1)。
得られた仮焼物をグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕した。粉砕粉を、放電プラズマ装置で950℃、50MPaの条件で焼結した(試料2)。
(Example 6)
[1. Preparation of sample]
[1.1 Production Method 1A (
Y, Ni, and Pd are weighed so that the composition ratio is Y (Ni 1-x Pd x ) 0.5 and melted by arc melting method or high frequency melting method, and Y (Ni 1-x Pd x ) 0.5 alloy is obtained. Obtained. Next, Bi, Ni, and Pd are weighed so that the composition ratio is Bi 2 (Ni 1-y Pd y ), dissolved by the arc melting method or the high frequency melting method, and Bi 2 (Ni 1-y Pd y). ) An alloy was obtained.
The obtained two types of alloys were each pulverized in a glove box and in an Ar atmosphere, weighed so that the total composition would be Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi, and mixed. The mixed powder was molded and calcined at 600 ° C. to obtain the desired half-Heusler phase (Production Method 1A, Sample 1).
The obtained calcined product was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box. The pulverized powder was sintered in a discharge plasma apparatus under conditions of 950 ° C. and 50 MPa (Sample 2).
また、Yの全量をDyに置き換えた以外は、試料2と同様の手順に従い、Dy(Ni0.5Pd0.5)Bi組成を有する焼結体を作製した(試料12)。同様に、Yの50at%をGdに置き換えた以外は、試料2と同様の手順に従い、(Y0.5Gd0.5)(Ni0.5Pd0.5)Bi組成を有する焼結体を作製した(試料13)。
In addition, a sintered body having a Dy (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi composition was prepared according to the same procedure as
[1.2 作製法2A(試料3):真空封入法による第1合金の作製]
組成比がBi(Ni1-yPdy)0.5となるように、Bi、Ni及びPdを秤量し、これを片方の口が閉じた石英管に入れた。真空ポンプで4×10-3Paまで真空引きした後、石英管のもう片方の口をバーナーで加熱して真空封入した。この真空封入した試料を850℃で2時間加熱して、Bi(Ni1-yPdy)0.5合金を得た。
これと作製法1Aにより作製したY(Ni1-xPdx)0.5合金とをそれぞれグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕し、全体の組成がY(Ni0.5Pd0.5)Biとなるように秤量し、これらを混合した。混合粉末を成形し、Ar雰囲気中、600℃で仮焼し、目的のハーフホイスラー相を得た(作製法2A)。
得られた仮焼物をグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕した。粉砕粉を、放電プラズマ装置で950℃、50MPaの条件で焼結した(試料3)。
[1.2 Production Method 2A (Sample 3): Production of First Alloy by Vacuum Encapsulation Method]
Bi, Ni and Pd were weighed so that the composition ratio would be Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5, and this was put into a quartz tube with one end closed. After vacuuming to 4 × 10 −3 Pa with a vacuum pump, the other mouth of the quartz tube was heated with a burner and sealed in a vacuum. This vacuum sealed sample was heated at 850 ° C. for 2 hours to obtain a Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5 alloy.
This and Y (Ni 1-x Pd x ) 0.5 alloy produced by the production method 1A are pulverized in a glove box and in an Ar atmosphere, respectively, and weighed so that the total composition becomes Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi. These were mixed. The mixed powder was molded and calcined at 600 ° C. in an Ar atmosphere to obtain a target half-Heusler phase (Production Method 2A).
The obtained calcined product was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box. The pulverized powder was sintered in a discharge plasma apparatus under the conditions of 950 ° C. and 50 MPa (Sample 3).
[1.3 作製法3A:真空封入法による仮焼]
[1.3.1 真空封入(試料4、5)]
作製法2Aにおいて、全体の組成がY(Ni0.5Pd0.5)Biとなるように第1合金及び第2合金を秤量、混合及び成形した成形体を石英管に真空封入し、600℃又は1000℃で仮焼した(作製法3A)。
得られた仮焼物をそれぞれグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕した。粉砕粉を、放電プラズマ装置で950℃、50MPaの条件でそれぞれ焼結した(試料4(仮焼温度:600℃)、試料5(仮焼温度:1000℃))。
[1.3 Production method 3A: Calcination by vacuum encapsulation method]
[1.3.1 Vacuum sealing (
In fabrication method 2A, a compact obtained by weighing, mixing and molding the first alloy and the second alloy so that the total composition is Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi is vacuum-sealed in a quartz tube, and 600 ° C. or 1000 ° C. (Preparation method 3A).
The obtained calcined material was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box. The pulverized powder was sintered in a discharge plasma apparatus under the conditions of 950 ° C. and 50 MPa (sample 4 (calcination temperature: 600 ° C.), sample 5 (calcination temperature: 1000 ° C.)).
[1.3.2 急冷凝固(試料6〜10)]
作製法3Aで得られた仮焼物を石英ノズル内で再び高周波溶解し、溶湯を3000rpmで回転するCuロール面上で急冷し、リボン状試料を得た(試料6)。
得られたリボン状試料を粉砕し、放電プラズマ装置で800℃(試料7)、900℃(試料8)又は950℃(試料9)、50MPaの条件でそれぞれ焼結した。
さらに、作製法3Aで得られた仮焼物をグローブボックス内、Ar雰囲気中で、粉砕及び成形した。この成形体を窒化ホウ素製ノズル内で溶解し、溶湯を3000rpmで回転するCuロール面上で急冷し、リボン状試料を得た。得られたリボン状試料を粉砕し、放電プラズマ装置を用いて900℃、50MPaの条件で焼結した(試料10)。
[1.3.2 Rapid solidification (
The calcined material obtained by the production method 3A was again melted by high frequency in a quartz nozzle, and the molten metal was rapidly cooled on a Cu roll surface rotating at 3000 rpm, thereby obtaining a ribbon-shaped sample (sample 6).
The obtained ribbon-shaped sample was pulverized and sintered in a discharge plasma apparatus under conditions of 800 ° C. (sample 7), 900 ° C. (sample 8), 950 ° C. (sample 9), and 50 MPa.
Furthermore, the calcined product obtained by the production method 3A was pulverized and molded in a glove box and in an Ar atmosphere. This molded body was melted in a boron nitride nozzle, and the molten metal was rapidly cooled on a Cu roll surface rotating at 3000 rpm to obtain a ribbon-shaped sample. The obtained ribbon-like sample was pulverized and sintered under the conditions of 900 ° C. and 50 MPa using a discharge plasma apparatus (Sample 10).
[1.3.3 Biドープ(試料11)]
作製法2Aにおいて、全体の組成がY(Ni0.5Pd0.5)Biとなるように第1合金及び第2合金を秤量、混合及び成形した成形体及び成形体の1wt%に相当するBiを石英管に真空封入し、600℃で仮焼した。
得られた仮焼物をグローブボックス内、Ar雰囲気中で粉砕した。粉砕粉を、放電プラズマ装置で950℃、50MPaの条件で焼結した(試料11)。
[1.3.3 Bi Dope (Sample 11)]
In fabrication method 2A, the first alloy and the second alloy are weighed, mixed and molded so that the total composition is Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi, and Bi corresponding to 1 wt% of the molded body is converted into a quartz tube. The mixture was vacuum sealed and calcined at 600 ° C.
The obtained calcined product was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box. The pulverized powder was sintered in a discharge plasma apparatus at 950 ° C. and 50 MPa (Sample 11).
表5に、各試料の製造条件を示す。
[2. 試験方法]
[2.1 X線回折]
得られた試料のX線回折パターンを測定した。また、ハーフホイスラー相及び異相の最強線ピーク強度から、異相の存在割合を算出した。
[2.2 熱電特性]
焼結体のゼーベック係数S、電気伝導度σ及び熱伝導度κを測定した。また、測定されたゼーベック係数S及び電気伝導度σを用いて、出力因子PFを算出した。
[2. Test method]
[2.1 X-ray diffraction]
The X-ray diffraction pattern of the obtained sample was measured. In addition, the presence ratio of the different phase was calculated from the strongest peak intensity of the half-Heusler phase and the different phase.
[2.2 Thermoelectric properties]
The Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ of the sintered body were measured. Further, the output factor PF was calculated using the measured Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ.
[3. 結果]
[3.1 Bi(Ni1-yPdy)0.5合金(第1合金)の組成]
作製法1A〜3Aで作製したBi(Ni1-yPdy)0.5合金のXRD測定を行った。作製法1A(溶解鋳造法)で合成したBi(Ni1-yPdy)0.5合金には、目的相の他に約20%のBi相が共存し、ハーフホイスラー相の組成ズレの原因となっていた。
一方、作製法2A及び3A(真空封入法)で合成したBi(Ni1-yPdy)0.5合金は、ほぼ単相であった。ICP分析の結果、仕込み組成と同じ組成を維持していることがわかった。
[3. result]
[Composition of 3.1 Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5 alloy (first alloy)]
XRD measurement was performed on the Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5 alloy produced by the production methods 1A to 3A. In the Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5 alloy synthesized by the production method 1A (melting casting method), about 20% of the Bi phase coexists in addition to the target phase, which causes the compositional deviation of the half-Heusler phase. It was.
On the other hand, the Bi (Ni 1-y Pd y ) 0.5 alloy synthesized by the manufacturing methods 2A and 3A (vacuum sealing method) was almost single phase. As a result of ICP analysis, it was found that the same composition as the charged composition was maintained.
[3.2 異相]
作製法1A〜3Aで作製したY(Ni0.5Pd0.5)Bi焼結体のXRD測定を行った。図15に、各試料のX線回折パターンを示す。これらの試料には、目的のハーフホイスラー相以外に、構成元素比の異なる2種類のイットリウムビスマス酸化物相(Y−Bi−O相)、及びNi相が確認された。
[3.2 Different phases]
XRD measurement was performed on Y (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi sintered bodies produced by the production methods 1A to 3A. FIG. 15 shows an X-ray diffraction pattern of each sample. In these samples, two types of yttrium bismuth oxide phases (Y-Bi-O phases) and Ni phases having different constituent element ratios were confirmed in addition to the target half-Heusler phase.
XRDのピーク強度比より、ハーフホイスラー相に対するこれらの異相の存在割合を求めた。表6に、その結果を示す。
焼結前の状態では、急冷凝固を行わない試料1には、これらの異相が合計で20%以上検出された。一方、急冷凝固を行った試料6では、異相の存在割合は10%程度まで減少することがわかった。
急冷凝固を行わずに950℃で焼結された試料2では、異相の合計割合は11%程度である。これは、焼結過程でNi相及びY−Bi−O(1)相が減少したためである。この時、逆にY−Bi−O(2)相の割合は増加している。このことは、室温から950℃の間に、Ni相及びY−Bi−O(1)相の消滅温度と、Y−Bi−O(2)相の生成温度が存在することを意味している。
From the XRD peak intensity ratio, the ratio of these different phases to the half-Heusler phase was determined. Table 6 shows the results.
In the state before sintering, in Sample 1 that was not subjected to rapid solidification, a total of 20% or more of these different phases were detected. On the other hand, it was found that in the
In
急冷凝固後に800℃で焼結した試料7では、異相の存在割合は、焼結前(試料6)と同程度の10%であり、その存在比もほとんど変化していない。このことは、室温から800℃の間に、異相の分解・生成温度が存在しないことを意味する。
焼結温度を900℃まで増加(試料8)させると、Ni相とY−Bi−O(1)相が消滅しており、800〜900℃の間に、これらがマトリックス相と反応して消滅する温度が存在することがわかる。同時に、Y−Bi−O(2)相の存在割合はほとんど増加していないため、マトリックス相が分解してY−Bi−O(2)相が生成する温度は、これよりも高温であることがわかる。
950℃で焼結した試料9では、再び異相の存在割合が増加する。このことは、マトリックス相の分解温度(Y−Bi−O(2)相の生成温度)が900〜950℃の間に存在していることを意味している。
従って、この系の焼結温度は、800℃又はそれ以上の温度で、950℃又はそれ以下の温度が好ましいことがわかる。急冷凝固及び最適温度付近での焼結を行った試料8では、異相の存在割合は、4.7%まで減少した。
In the
When the sintering temperature is increased to 900 ° C. (sample 8), the Ni phase and the Y—Bi—O (1) phase disappear, and between 800 and 900 ° C., these react with the matrix phase and disappear. It can be seen that there is a temperature to perform. At the same time, since the existence ratio of the Y-Bi-O (2) phase is hardly increased, the temperature at which the matrix phase decomposes and the Y-Bi-O (2) phase is generated is higher than this. I understand.
In the sample 9 sintered at 950 ° C., the heterogeneous ratio is increased again. This means that the decomposition temperature of the matrix phase (the formation temperature of the Y—Bi—O (2) phase) is between 900 and 950 ° C.
Therefore, it can be seen that the sintering temperature of this system is preferably 800 ° C. or higher and preferably 950 ° C. or lower. In Sample 8, which was rapidly solidified and sintered at around the optimum temperature, the presence ratio of the heterogeneous phase decreased to 4.7%.
さらに、窒化ホウ素製ノズルで急冷凝固を行った後に焼結した試料10では、石英ノズルを用いた急冷凝固及び焼結を行った試料7〜9よりさらに異相の存在割合が減少し、ほぼ単相が得られた。これは、急冷凝固の際に窒化ホウ素製ノズルを用いると、溶湯とノズルの反応が抑制され、異相生成の核となる不純物混入や組成ズレが生じ難いためと考えられる。
Furthermore, in the sample 10 sintered after rapid solidification with a boron nitride nozzle, the presence ratio of the different phases is further reduced compared to the
図16に、試料4及び試料8のSEM写真を示す。急冷凝固を行わない試料4の場合、異相の存在が顕著であり、結晶粒も大きい。これに対し、急冷凝固を行った試料8の場合、異相が大幅に減少しており、結晶粒も微細化されていることがわかる。
FIG. 16 shows SEM photographs of
[3.3 熱電特性]
図17、図18及び図19に、それぞれ、試料2〜5及び11の電気伝導度σ、ゼーベック係数S及び出力因子PFを示す。第1合金を作製法1Aで作製した試料2と比べて、作製法2A又は3Aで作製した試料3、4、5では、ゼーベック係数S及び電気伝導度σがともに増加した結果、出力因子PFが増大した。作製法2Aと3Aは、Y(Ni0.5Pd0.5)Biを仮焼する温度又は雰囲気が異なっている。Ar加圧雰囲気で仮焼した試料3より、真空封入法で仮焼した試料4、5の方が電気伝導度が高い。また、真空封入法を用いる場合、600℃で仮焼した試料4より、1000℃で仮焼した試料5の方が電気伝導度が高い。これは、仮焼時のBiの揮発に起因した欠陥で、キャリア濃度が増加したためと推測される。
さらに、仮焼時のBiの揮発を補うために、1wt%のBiをドープした試料11の場合、ゼーベック係数Sはほとんど変化しなかったが、電気伝導度σがさらに増加したため、出力因子PFが増大した。
[3.3 Thermoelectric characteristics]
17, 18 and 19 show the electrical conductivity σ, Seebeck coefficient S, and output factor PF of
Furthermore, in the case of the sample 11 doped with 1 wt% Bi in order to compensate for the volatilization of Bi during calcination, the Seebeck coefficient S hardly changed, but the electrical conductivity σ further increased, so that the output factor PF was Increased.
図20、図21及び図22に、それぞれ、試料2、4、8、10の電気伝導度σ、ゼーベック係数S及び出力因子PFを示す。急冷凝固を行った試料8、10の電気伝導度σは、急冷凝固を行わない試料2、4に比べて大幅に低下した。また、石英ノズルを用いて急冷凝固を行った試料8は、ゼーベック係数Sが増加しなかったため、試料2、4に比べて出力因子PFが大幅に低下した。
一方、窒化ホウ素製ノズルを用いて急冷凝固を行った試料10は、電気伝導度σは低下しているが、ゼーベック係数Sが増大しているため、その出力因子PFは、試料4に比べて約10%の低下に留まっている。この値は、第1合金製造時に真空封入を行わない試料2と比べても約5%の低下である。
しかしながら、試料2の熱伝導度κは、電気伝導度σが大きいために室温で5W/Km程度であるのに対し、試料10は、急冷凝固の効果により電気伝導度が低下し、結晶粒も微細化された結果、試料10の熱伝導度κは試料2より約30%低下している(図23参照)。そのため、試料10の無次元性能指数ZTは、試料2に比べて約25%増大した。
20, FIG. 21 and FIG. 22 show the electrical conductivity σ, Seebeck coefficient S, and output factor PF of
On the other hand, the sample 10 subjected to rapid solidification using a boron nitride nozzle has a reduced electrical conductivity σ but an increased Seebeck coefficient S, and therefore its output factor PF is higher than that of the
However, the thermal conductivity κ of the
熱伝導度κに関しては、急冷凝固を行わない場合でも、希土類サイトを電気伝導度を低減させる効果のある元素(例えば、Dy)で置換したとき(試料12)や、Yを他の元素で部分置換したとき(試料13)にも低減することが可能である(図23参照)。従って、このような元素置換と急冷凝固処理とを組み合わせることによって、さらなる特性向上が可能である。 Regarding the thermal conductivity κ, even when the rapid solidification is not performed, when the rare earth site is replaced with an element (for example, Dy) that has an effect of reducing the electrical conductivity (sample 12), Y is partially substituted with another element. It can also be reduced when replaced (sample 13) (see FIG. 23). Therefore, further improvement in characteristics can be achieved by combining such element substitution and rapid solidification treatment.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る熱電材料及びその製造方法は、太陽熱発電器、海水温度差熱電発電器、化石燃料熱電発電器、工場排熱や自動車排熱の回生発電器等の各種の熱電発電器、光検出素子、レーザーダイオード、電界効果トランジスタ、光電子増倍管、分光光度計のセル、クロマトグラフィーのカラム等の精密温度制御装置、恒温装置、冷暖房装置、冷蔵庫、時計用電源等に用いられる熱電素子を構成する熱電材料及びその製造方法として使用することができる。 The thermoelectric material and the manufacturing method thereof according to the present invention include a solar thermoelectric generator, a seawater temperature difference thermoelectric generator, a fossil fuel thermoelectric generator, various thermoelectric generators such as factory exhaust heat and automobile exhaust heat regenerative generator, and light detection. Constructs thermoelectric elements used for precision temperature control devices such as elements, laser diodes, field effect transistors, photomultiplier tubes, spectrophotometer cells, chromatographic columns, thermostats, air conditioners, refrigerators, clock power supplies, etc. It can be used as a thermoelectric material and a manufacturing method thereof.
Claims (21)
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。 A thermoelectric material comprising a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
RE(Ni1-x-yPdxPty)Bi ・・・(1)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0≦x<1、0≦y<1、x+y≦1、
(1−x−y)x+xy+y(1−x−y)>0 The thermoelectric material according to claim 1, wherein the half-Heusler compound has a composition represented by the following formula (1).
RE (Ni 1-xy Pd x Pt y) Bi ··· (1)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1,
(1-xy) x + xy + y (1-xy)> 0
RE(Ni1-xPdx)Bi ・・・(2)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0.4≦x<1 2. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the half-Heusler compound has a composition represented by the following formula (2).
RE (Ni 1-x Pd x ) Bi (2)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0.4 ≦ x <1
前記4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方を占める前記希土類元素REの平均イオン半径は、0.102nm以上0.108nm以下である請求項1に記載の熱電材料。
RE(Ni0.5Pd0.5)Bi ・・・(3)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。 The half-Heusler compound has a composition represented by the following formula (3):
An average ionic radius of the rare earth element RE occupying either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site is 0.102 nm or more and 0.108 nm or less. 2. The thermoelectric material according to claim 1, wherein
RE (Ni 0.5 Pd 0.5 ) Bi (3)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型の結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、4c(1/4,1/4、1/4)サイトに、Ni、Pd、及びPtのいずれか2以上を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物は、4b(1/2、1/2、1/2)サイト又は4a(0、0、0)サイトのいずれか一方にBiを含む。
(5) 前記ハーフホイスラー化合物は、4a(0、0、0)サイト又は4b(1/2、1/2、1/2)サイトのいずれか一方に、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素を含む。
(6) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記4a(0、0、0)サイト、前記4b(1/2、1/2、1/2)サイト、及び前記4c(1/4、1/4、1/4)サイトの少なくとも1以上のサイトに、主要構成元素と価電子数の異なる1種以上の原子をさらに含む。
(7) 前記ハーフホイスラー化合物は、最強線ピークの回折角2θの理論値に対するシフト量が±0.1degである。 A thermoelectric material comprising a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure.
(2) The number of valence electrons per atom of the half-Heusler compound is 5.9 or more and 6.1 or less.
(3) The half-Heusler compound contains any two or more of Ni, Pd, and Pt at the 4c (1/4, 1/4, 1/4) site.
(4) The half-Heusler compound contains Bi at either the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site or the 4a (0, 0, 0) site.
(5) The half-Heusler compound includes at least one selected from rare earth elements at either the 4a (0, 0, 0) site or the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site. Contains elements.
(6) The half-Heusler compound includes the 4a (0, 0, 0) site, the 4b (1/2, 1/2, 1/2) site, and the 4c (1/4, 1/4, 1). / 4) At least one site of the site further includes one or more kinds of atoms having a different valence electron number from the main constituent element.
(7) The half-Heusler compound has a shift amount of ± 0.1 deg with respect to the theoretical value of the diffraction angle 2θ of the strongest line peak.
(RE1-uMu){(Ni1-x-yPdxPty)1-vM'v}(Bi1-wM"w) ・・・(4)
但し、REは、希土類元素から選ばれるいずれか1以上の元素。
0≦x<1、0≦y<1、x+y≦1、
(1−x−y)x+xy+y(1−x−y)>0
Mは、REとは価数の異なる元素。
M'は、Ni、Pd、及びPtとは価数の異なる元素。
M"は、Biとは価数の異なる元素。
0≦u≦0.3、0≦v≦0.3、0≦w≦0.3、u+v+w>0 The thermoelectric material according to claim 5, wherein the half-Heusler compound has a composition represented by the following formula (4).
(RE 1-u M u) {(Ni 1-xy Pd x Pt y) 1-v M 'v} (Bi 1-w M "w) ··· (4)
However, RE is any one or more elements selected from rare earth elements.
0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1,
(1-xy) x + xy + y (1-xy)> 0
M is an element having a valence different from that of RE.
M ′ is an element having a valence different from that of Ni, Pd, and Pt.
M ″ is an element having a different valence from Bi.
0 ≦ u ≦ 0.3, 0 ≦ v ≦ 0.3, 0 ≦ w ≦ 0.3, u + v + w> 0
前記ハーフホイスラー化合物の構成元素の内、前記希土類元素を含み、かつ前記Biを含まない2種以上の元素を配合し、溶解・鋳造する第2溶解・鋳造工程と、
少なくとも前記第1合金及び前記第2溶解・鋳造工程で得られた第2合金を用いて、前記ハーフホイスラー化合物となるように原料を配合する配合工程と、
前記配合工程で得られた配合物を仮焼する仮焼工程と、
を備えた熱電材料の製造方法。 The 1st alloy manufacture which manufactures the 1st alloy which consists of 2 or more types of elements which contain Bi among the constituent elements of the half-Heusler compound as described in any one of Claim 1-11 and do not contain a rare earth element Process,
A second melting / casting step of mixing, melting and casting two or more elements including the rare earth element and not containing Bi among the constituent elements of the half-Heusler compound;
A blending step of blending raw materials so as to be the half-Heusler compound using at least the first alloy and the second alloy obtained in the second melting / casting step;
A calcining step of calcining the blend obtained in the blending step;
A method for producing a thermoelectric material comprising:
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- 2008-09-22 JP JP2008241983A patent/JP2009111357A/en active Pending
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