JP2010030855A - Crystal-oriented structure and method for manufacturing the same - Google Patents

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弘優 徳留
Hiroyuki Fujii
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal-oriented structure which is manufactured without a complicated and expensive process and to provide a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: The crystal-oriented structure is a polycrystalline crystal-oriented structure obtained by orientation-treating and further heat-treating plate-like particles of layered metallic hydroxide containing bivalent metallic ions or layered metallic hydroxide containing bivalent and trivalent metallic ions. The crystal-oriented structure is utilized as a material exhibiting high thermoelectric conversion function. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、結晶配向性構造体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a crystal orientation structure and a manufacturing method thereof.

近年、酸化物からなる結晶配向性構造体の作製において、高コストである単結晶材料に変わり、比較的低コストで作製可能な多結晶性の結晶配向性構造体の研究が活発になっている。
例えば、金属酸化物を用いた熱電変換素子において、結晶配向性多結晶体による特性向上の試みが報告されている。通常バルク形状に切り出されたペレットから形成される熱電変換素子においては、その性能は、性能指数Z(=S2σ/κ:Sはゼーベック係数、σは電気伝導率(導電率)、κは熱伝導率)で、さらには絶対温度Tを乗じた無次元性能指数ZTの値で評価される。これらの値が大きいほど熱電特性が優れる。ここで、熱伝導率は、格子振動(フォノン)による格子熱伝導率と電子伝導により伝わる電子熱伝導率からなる。
ここで、非特許文献1に記載されているように、酸化物における導電率と熱伝導率は、その結晶異方性がキャリア特性に大きく依存することが知られており、いかに結晶異方性をバルク形状においても制御できるかが、酸化物熱電変換素子の特性向上に大きく影響する要因となる。
In recent years, in the production of crystalline orientation structures composed of oxides, research has been actively conducted on polycrystalline crystalline orientation structures that can be produced at a relatively low cost instead of high-cost single crystal materials. .
For example, in a thermoelectric conversion element using a metal oxide, attempts have been reported to improve characteristics by using a crystalline orientation polycrystal. In a thermoelectric conversion element usually formed from pellets cut into a bulk shape, the performance is expressed by the figure of merit Z (= S 2 σ / κ: S is Seebeck coefficient, σ is electrical conductivity (conductivity), κ is Thermal conductivity), and further evaluated by the value of the dimensionless figure of merit ZT multiplied by the absolute temperature T. The larger these values, the better the thermoelectric properties. Here, the thermal conductivity is composed of lattice thermal conductivity caused by lattice vibration (phonon) and electronic thermal conductivity transmitted by electron conduction.
Here, as described in Non-Patent Document 1, it is known that the crystal anisotropy of the electrical conductivity and thermal conductivity in an oxide is greatly dependent on the carrier characteristics. Whether or not can be controlled even in the bulk shape is a factor that greatly affects the improvement of the characteristics of the oxide thermoelectric conversion element.

また熱電変換素子は、熱源から効率的にエネルギーを取り出すために必要となる素子の体積も非常に大きいものとなるため、素子に用いる酸化物バルクも大量に合成できることが必要となる。よって、従来の高価な金属化合物を用いた熱電変換素子から酸化物系に今後置き換わるためには、いかに熱電変換デバイスの心臓部である酸化物バルク体を安価で、しかも大量に作製できるかが必須な課題として挙げられる。   Moreover, since the volume of the element required in order to extract energy efficiently from a heat source becomes very large, the thermoelectric conversion element needs to be able to synthesize a large amount of oxide bulk used for the element. Therefore, in order to replace conventional thermoelectric conversion elements using expensive metal compounds with oxides, it is essential to be able to manufacture oxide bulk bodies that are the heart of thermoelectric conversion devices at low cost and in large quantities. Can be cited as a major issue.

ここで、熱電変換素子を作製するためには、キャリアが正孔であるp型半導体と、電子がキャリアとなるn型半導体の組合せにより高効率に発電できることが求められる。しかし、現状では、NaCo多結晶体で金属化合物に匹敵する約0.7という高いZTが報告されているp型に比べ、n型酸化物系では約0.3程度のZTまでしか得られていないことが、酸化物熱電変換デバイスの普及の障害になっていることが挙げられ、現在は特にn型酸化物の熱電特性のブレークスルーが求める声が非常に強くなっている。 Here, in order to produce a thermoelectric conversion element, it is required that power can be generated with high efficiency by a combination of a p-type semiconductor in which carriers are holes and an n-type semiconductor in which electrons are carriers. However, compared to the p-type in which NaCo 2 O 4 polycrystal is reported to have a high ZT of about 0.7, which is comparable to a metal compound, the n-type oxide system has a ZT of only about 0.3. The fact that it has not been obtained is an obstacle to the widespread use of oxide thermoelectric conversion devices. At present, there is an increasing demand for breakthroughs in thermoelectric properties of n-type oxides.

酸化亜鉛(ZnO)をベースとして3価もしくは4価の金属イオンをドープした酸化物は、n型熱電材料の中でも高いZTを示すことが報告されており、酸化物熱電変換素子の有力な候補材料として非常に注目されている(非特許文献2)。   Oxides doped with trivalent or tetravalent metal ions based on zinc oxide (ZnO) have been reported to exhibit high ZT among n-type thermoelectric materials, and are promising candidate materials for oxide thermoelectric conversion elements. Has been attracting much attention (Non-Patent Document 2).

またウルツ鉱型の結晶構造を有するZnOは、そのc軸に垂直な面(c面)が、Znが並んだ導電性の高い面として知られている。よって、ZnOのc面に平行な方向に電流が流れるようなc軸配向性のZnOをベースとした成型体を設計および作製できれば、高い熱電変換能を発現することが期待できる。   In addition, ZnO having a wurtzite crystal structure is known as a highly conductive surface in which the plane perpendicular to the c-axis (c-plane) is lined with Zn. Therefore, if a molded body based on ZnO having c-axis orientation such that current flows in a direction parallel to the c-plane of ZnO can be designed and manufactured, high thermoelectric conversion ability can be expected.

このようなZnO成型体で結晶異方化を達成する技術として、バルク単結晶を作製すれば完全な配向構造体が得られるが、融点の高い金属酸化物の育成には極めて高い温度(〜2000℃)と専用の単結晶育成装置を必要とするので、作製には非常に高コストになる問題がある。   As a technique for achieving crystal anisotropy with such a ZnO molded body, a perfectly oriented structure can be obtained by producing a bulk single crystal, but an extremely high temperature (˜2000 for growth of a metal oxide having a high melting point). ° C) and a dedicated single crystal growth apparatus are required, and there is a problem that the production is very expensive.

そこで、結晶配向性の多結晶ZnO熱電材料を作製する技術として、特許文献1に記載されている、反応性テンプレート粒成長(Reactive templated grain growth:以下、RTGG)法を利用した多結晶性配向構造体の製造方法が知られている。このRTGG法を利用した多結晶ZnO配向構造体は、塩基性硫酸亜鉛板状結晶とAl粒子を湿式混合して得られる分散スラリーを用いて、テープ成型法の一つであるドクターブレード法により作製したグリーンシートを切断して数十層重ねて積層圧着し、加熱による脱脂および焼成、さらに静水圧プレス(CIP)処理した後に、焼結処理することにより作製できることが開示されている。しかしながら、この製造方法では、Al3+をドープしたc軸配向性ZnO焼結体は得られるものの、高温でも揮発しにくい硫酸塩を原料として用いるため、高温での焼成後も不純物として硫酸が残存することや、大きな薄片状結晶が集積した構造となり焼結性が低くなるため、導電性、さらには熱電特性に悪影響が出ることが懸念される。またAl粒子を原料として用いているため、ZnOの結晶中へのAl3+の固溶が不均一に起こる恐れがある。実際、熱電変換性能の指標として開示されている800℃における出力因子(=S2σ)は3.0×10−4(W/m・K)であり、非特許文献2に開示されているAl3+をドープした等方的なZnO成型体の値[1.5×10−3(W/m・K)]に比べ、かなり低い値にとどまっている。さらに、製造方法としては非常に煩雑な工程を経ることから、多結晶体作製に期待される低コストでのZnO結晶配向成型体の作製は困難であると考えられる。 Therefore, as a technique for producing a crystalline orientation polycrystalline ZnO thermoelectric material, a polycrystalline orientation structure using a reactive templated grain growth (RTGG) method described in Patent Document 1 is described. Body manufacturing methods are known. The polycrystalline ZnO oriented structure using this RTGG method is a doctor blade which is one of tape molding methods using a dispersion slurry obtained by wet mixing basic zinc sulfate plate crystals and Al 2 O 3 particles. It is disclosed that the green sheet produced by the method can be cut, stacked several tens of layers, laminated and pressure-bonded, degreased and fired by heating, further subjected to isostatic pressing (CIP) treatment, and then sintered. However, in this manufacturing method, although a c-axis oriented ZnO sintered body doped with Al 3+ can be obtained, sulfuric acid remains as an impurity even after firing at a high temperature because a sulfate that does not volatilize at a high temperature is used as a raw material. In addition, since a structure in which large flaky crystals are integrated and the sinterability is lowered, there is a concern that the conductivity and further the thermoelectric properties may be adversely affected. In addition, since Al 2 O 3 particles are used as a raw material, there is a possibility that the solid solution of Al 3+ in the crystal of ZnO occurs unevenly. Actually, the output factor (= S 2 σ) at 800 ° C. disclosed as an index of thermoelectric conversion performance is 3.0 × 10 −4 (W / m · K), which is disclosed in Non-Patent Document 2. Compared to the value [1.5 × 10 −3 (W / m · K)] of an isotropic ZnO molded body doped with Al 3+ , the value is considerably low. Furthermore, since a very complicated process is performed as a production method, it is considered difficult to produce a ZnO crystal oriented molded body at a low cost expected for producing a polycrystal.

またZnOとAl粒子を含むスラリーに、高い回転磁場(〜10T)を掛けながら固化し、焼結処理することにより作製されたc軸配向したZnO焼結体の熱電特性が開示されている(特許文献2)。しかしながら、この方法しておいても、上記のRTGG法による成型体の製造方法と同様に、Al粒子を原料として用いているため、ZnOの結晶中へのAlの固溶が不均一に起こる恐れがあること、回転磁場装置を用いるために作製できるバルク成型体のサイズが限定されること、さらには大掛かりな設備が必要となることから高コストになってしまうという懸念がある。 Also the slurry containing ZnO and Al 2 O 3 particles, high while applying a rotating magnetic field (~10T) solidifies and thermoelectric properties of sintered ZnO c-axis oriented fabricated is disclosed by sintering (Patent Document 2). However, even in this method, Al 2 O 3 particles are used as a raw material, as in the above-described method of manufacturing a molded body by the RTGG method, so that the solid solution of Al in the ZnO crystal is not uniform. There is a concern that the size of a bulk molded body that can be produced in order to use a rotating magnetic field device is limited, and that a large facility is required, resulting in high costs.

「月刊セラミックス」、161〜165ページ、1998年3月号、日本セラミックス協会刊行"Monthly Ceramics", 161-165 pages, March 1998, published by the Ceramic Society of Japan 「Journal of Materials Chemistry」、p85〜90、1996年“Journal of Materials Chemistry”, p. 85-90, 1996. 特開2003−095741号公報JP 2003-095741 A 特開2007−243070号公報JP 2007-243070 A

本発明は、上記の問題点に鑑み、煩雑および高コストなプロセスを必要とせずに作製可能な結晶配向性構造体と、その製造方法を提供しようとするものである。   In view of the above problems, the present invention intends to provide a crystal orientation structure that can be produced without requiring a complicated and expensive process, and a method for producing the same.

本発明者らは、鋭意検討の結果、2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物、あるいは2価の金属イオンに対して3価の金属イオンが所定のモル比率で含まれる層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱処理することにより得られる多結晶性の酸化物構造体が、結晶配向性を有することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明の結晶配向性構造体は、2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱することにより得られるものである。
As a result of intensive studies, the present inventors have studied a layered metal hydroxide containing a divalent metal ion or a layered metal hydroxide containing a trivalent metal ion at a predetermined molar ratio with respect to the divalent metal ion. The present inventors have found that a polycrystalline oxide structure obtained by subjecting a plate-like particle of a product to orientation treatment and further heat treatment has crystal orientation, and have reached the present invention.
That is, the crystalline orientation structure of the present invention is obtained by subjecting plate-like particles of layered metal hydroxide containing divalent metal ions to orientation treatment and further heating.

本発明の結晶配向性酸化物構造体は、煩雑および高コストなプロセスを必要とせずに作製可能であることから生産性に優れ、且つ結晶異方性を有するため、例えば、高効率な熱電変換素子や磁性膜への適用が可能となる。   The crystal-oriented oxide structure of the present invention can be produced without the need for complicated and expensive processes, so that it is excellent in productivity and has crystal anisotropy. Application to elements and magnetic films becomes possible.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の結晶配向性酸化物構造体は、2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物、あるいは2価の金属イオンに対して3価の金属イオンが0より大きく1以下のモル比率で含まれる層状金属水酸化物の板状粒子を原料として用いて作製される。ここで、3価の金属イオンのモル比率とは、層状金属水酸化物に含まれる2価の金属イオンのモル量に対する、3価金属イオンのモル量の比率で表される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The crystal-oriented oxide structure of the present invention includes a layered metal hydroxide containing a divalent metal ion, or a trivalent metal ion in a molar ratio of greater than 0 to 1 or less with respect to the divalent metal ion. The layered metal hydroxide is used as a raw material. Here, the molar ratio of the trivalent metal ion is represented by the ratio of the molar amount of the trivalent metal ion to the molar amount of the divalent metal ion contained in the layered metal hydroxide.

本発明において用いられる層状金属水酸化物は、基本層がブルーサイトもしくはCdI型の結晶構造であり、層間にアニオンを含む層状構造の金属水酸化物塩である。このようなブルーサイトもしくはCdI型構造を基本構造とする層状金属水酸化物塩は、結晶層中に含まれる金属イオンの種類や数により、一般的には名称が使い分けられる傾向がある。本発明においては、その分類については特に限定するものではないが、例えば、金属イオンにより構成される層状の金属水酸化物塩については、広義に層状金属水酸化物(Layered Metal Hydroxide:以下、LMH)と定義される。さらに、狭義には、1種もしくは複数の2価金属イオンから構成される層状金属水酸化物塩やそれに3価の金属イオンを微量に含有(2価金属イオンに対する3価の金属イオンのモル比率が約0.1以下)するものについては、層状塩基性金属塩(Layered Basic Metal Salt、以下、LBMS)もしくはヒドロキシ複塩(Hydroxy Double Salt:以下、HDS)であり、そして、2価金属イオンに対して3価の金属イオンが高濃度で含有(2価金属イオンに対する3価の金属イオンのモル比率が約0.1以上1以下)する層状金属水酸化物塩を層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide:以下、LDH)と定義される。本発明で用いる層状金属水酸化物の一般式としては、M2+ 3+ 1−x(OH)3(1−y)+xn− (1+3y)/n・zHOで表される。ここで、M2+は2価の金属イオンであり、M3+は3価の金属イオンであり、An−は層間に含まれるアニオンであり、x、y、z、nは任意の数である。 The layered metal hydroxide used in the present invention is a metal hydroxide salt having a layered structure in which the basic layer has a brucite or CdI 2 type crystal structure and an anion is included between layers. Such layered metal hydroxide salts having a brucite or CdI 2 type structure as a basic structure generally tend to have different names depending on the type and number of metal ions contained in the crystal layer. In the present invention, the classification is not particularly limited. For example, a layered metal hydroxide (Layered Metal Hydroxide: hereinafter referred to as LMH) is broadly defined for a layered metal hydroxide salt composed of metal ions. ). Furthermore, in a narrow sense, it contains a layered metal hydroxide salt composed of one or more divalent metal ions and a small amount of trivalent metal ions (molar ratio of trivalent metal ions to divalent metal ions). Is a layered basic metal salt (hereinafter LBMS) or a hydroxy double salt (hereinafter HDS), and a divalent metal ion is a layered basic metal salt (layered basic metal salt (LBMS) or hydroxy double salt (hereinafter HDS)). On the other hand, a layered metal hydroxide salt containing a high concentration of trivalent metal ions (the molar ratio of trivalent metal ions to divalent metal ions is about 0.1 or more and 1 or less) is layered double hydroxide (Layered) Double Hydroxide (hereinafter referred to as LDH). The general formula of the layered metal hydroxide used in the present invention, represented by M 2+ x M 3+ 1-x (OH) 3 (1-y) + x A n- (1 + 3y) / n · zH 2 O. Here, M 2+ is a divalent metal ion, M 3+ is a trivalent metal ion, A n-is the anion contained in the interlayer, x, y, z, n is any number .

ブルーサイトもしくはCdI型構造である基本層は、カチオン性の金属水酸化物層であり、その層間には、結晶の電気的中性を保つためにアニオンが含まれる。このアニオンの種類としては、加熱処理により速やかに分解もしくは揮発することによって、成型体中に不純物として残存しにくいものが好ましい。すなわち、硫酸イオンやハロゲン化物イオン等の難揮発性アニオンは、加熱処理により分解もしくは揮発しにくいため、結晶中に残存する恐れがある。ここで、難揮発性アニオンとは、大気中での1000℃程度での焼成により、大気中に放散せずに、焼成後の酸化物表面に吸着もしくは固溶することにより、酸化物1molあたり0.01mol以上残存するアニオン種を示す。よって、本発明において利用可能なアニオンは、高温での加熱処理により速やかに分解もしくは揮発するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酢酸イオン、乳酸イオン、酪酸イオン、アミノ酸イオン等の有機アニオンや、硝酸イオン等の無機アニオンが好ましい。 The basic layer having a brucite or CdI type 2 structure is a cationic metal hydroxide layer, and an anion is contained between the layers in order to maintain the electrical neutrality of the crystal. As the type of this anion, one that hardly decomposes or volatilizes by heat treatment and hardly remains as an impurity in the molded body is preferable. That is, hardly volatile anions such as sulfate ions and halide ions are difficult to decompose or volatilize by heat treatment, and thus may remain in the crystal. Here, the hardly volatile anion refers to 0 per 1 mol of oxide by being adsorbed or dissolved in the surface of the oxide after firing without being dissipated in the atmosphere by firing at about 1000 ° C. in the atmosphere. .01 mol or more of remaining anion species. Therefore, the anion that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is rapidly decomposed or volatilized by heat treatment at a high temperature. For example, acetate ion, lactate ion, butyrate ion, amino acid ion, etc. Of these, an organic anion and an inorganic anion such as nitrate ion are preferred.

本発明において用いられる層状金属水酸化物に含まれる2価の金属イオンは、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Sr2+、Cd2+から選ばれる少なくとも1種であり、2種以上を含んでも良い。そして、本発明において用いられる層状金属水酸化物は、2価の金属イオンの結晶サイトに、3価の金属イオンを含んでもよい。ここで、3価の金属イオンとしては、Al3+、Ga3+、Fe3+、Mn3+、In3+、Co3+、Y3+、Ce3+、La3+から選ばれる少なくとも1種であり、2種以上を含んでも良い。本発明においては、上述の2価金属イオンと3価金属イオンを任意に選択できる結晶配向性の酸化物構造体が可能となる。また、層状金属水酸化物に含まれる3価の金属イオンの存在状態としては、ブルーサイトもしくはCdI型構造の基本層の2価金属イオンサイトに置換固溶された状態であっても、格子間に侵入固溶された状態であっても良い。 Divalent metal ions contained in the layered metal hydroxide used in the present invention are Mg 2+ , Ca 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sr 2+ , and Cd 2+. At least one selected, and may include two or more. The layered metal hydroxide used in the present invention may contain a trivalent metal ion at the crystal site of the divalent metal ion. Here, the trivalent metal ion is at least one selected from Al 3+ , Ga 3+ , Fe 3+ , Mn 3+ , In 3+ , Co 3+ , Y 3+ , Ce 3+ , La 3+ , and two or more types. May be included. In the present invention, an oxide structure having a crystal orientation capable of arbitrarily selecting the above-described divalent metal ion and trivalent metal ion is possible. In addition, the presence state of the trivalent metal ion contained in the layered metal hydroxide may be a lattice solution even if it is in a substitutional solid solution state at the divalent metal ion site of the basic layer of the brucite or CdI 2 type structure. It may be in a state of being intruded and dissolved between them.

本発明にあっては、層状金属水酸化物に含まれる、2価の金属イオンに対する3価の金属イオンのモル比率は、0〜1であることが好ましい。このようなモル比率で3価の金属イオンを含有することにより、種々の組成比の酸化物を作製することが可能となる。本発明における層状金属水酸化物中の3価の金属イオンは、加熱処理により、2価の金属イオンの結晶サイトに固溶する。よって、3価の金属イオンを低濃度で含有させた金属水酸化物塩であるLBMSもしくはHDSの場合、導電性を向上させるドーパントとしての効果を発現でき、また高濃度で3価金属イオンを含有させたLDHの場合は、2価金属イオンとの複合酸化物を形成することができる。例えば、Zn2+に対して、B3+、Al3+、Ga3+、In3+等の3価の金属イオンを0〜0.2のモル比率で含有させたLBMSである層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を配向処理および加熱処理を行うことで、3価の金属イオンをドーパントとする高い熱電変換性能を有する結晶配向性ZnO構造体を作製することができる。また3価の金属イオンを2価の金属イオンに対してモル比率で0.2〜1という高濃度で含有させたLDHの場合は、例えばスピネル型の結晶構造を有する結晶配向性酸化物を形成することができる。これは、LDHの(001)面がスピネル構造の(111)面との間で格子の類似性があるためであると考えられる。例えば、Co2+に対してモル比率が0.1〜1のFe3+を含む層状水酸化コバルト塩の板状粒子をc軸配向するように配向処理し、加熱処理することにより、Co2+、Co3+、Fe3+が混在したスピネル構造フェライトが(111)面に結晶配向した構造体を作製することができる。 In the present invention, the molar ratio of the trivalent metal ion to the divalent metal ion contained in the layered metal hydroxide is preferably 0 to 1. By containing trivalent metal ions at such a molar ratio, oxides having various composition ratios can be produced. The trivalent metal ion in the layered metal hydroxide in the present invention is dissolved in the crystal site of the divalent metal ion by heat treatment. Therefore, in the case of LBMS or HDS which is a metal hydroxide salt containing a trivalent metal ion at a low concentration, the effect as a dopant for improving the conductivity can be exhibited, and the trivalent metal ion is contained at a high concentration. In the case of using LDH, a complex oxide with a divalent metal ion can be formed. For example, a plate-like layered zinc hydroxide salt which is LBMS containing trivalent metal ions such as B 3+ , Al 3+ , Ga 3+ and In 3+ in a molar ratio of 0 to 0.2 with respect to Zn 2+ By performing orientation treatment and heat treatment on the particles, a crystal orientation ZnO structure having high thermoelectric conversion performance using a trivalent metal ion as a dopant can be produced. In the case of LDH containing trivalent metal ions at a high concentration of 0.2 to 1 with respect to divalent metal ions, for example, a crystal orientation oxide having a spinel crystal structure is formed. can do. This is considered to be due to the similarity of the lattice between the (001) plane of LDH and the (111) plane of the spinel structure. For example, a plate-like particle of a layered cobalt hydroxide salt containing Fe 3+ having a molar ratio of 0.1 to 1 with respect to Co 2+ is subjected to an orientation treatment so as to be c-axis oriented, followed by a heat treatment, whereby Co 2+ and Co A structure in which spinel structure ferrite in which 3+ and Fe 3+ are mixed can be produced in a crystal orientation on the (111) plane.

また本発明における結晶配向性構造体を熱電変換材料として熱電素子に用いる場合、層状金属水酸化物に含まれる3価の金属イオンは、酸化亜鉛の結晶格子中に存在するZn元素と置換することにより導電性が向上するような金属元素であり、好ましくは、B3+、Al3+、Ga3+、In3+、Fe3+、Co3+、Y3+、Sc3+、Eu3+から選ばれる少なくとも一種である。これらの金属イオンは、亜鉛よりも多くの価電子を有することから酸化亜鉛中の亜鉛サイトに固溶することで、キャリアとなる自由電子を生成する。そのため、これらの金属元素をドーピングした酸化亜鉛は飛躍的に導電性が向上することが期待できる。これらの金属元素は亜鉛イオンに比較的近いイオン半径を有することから、結晶構造に歪みを生じることなく、安定に酸化亜鉛の結晶中に固溶可能である。より好ましい金属元素は、ZnOに固溶した際に歪みが小さく、また0.1程度までのモル比率でZnO結晶にドーピング可能であるので、結果的に高い導電性と熱電変換特性が期待できる、Alである。(「透明導電膜の新展開II」、31〜40ページ、2002年10月、シーエムシー出版) Moreover, when using the crystal orientation structure in this invention for a thermoelectric element as a thermoelectric conversion material, the trivalent metal ion contained in a layered metal hydroxide substitutes for the Zn element which exists in the crystal lattice of zinc oxide. by a metal element such as improved conductivity, preferably, B 3+, Al 3+, Ga 3+, in 3+, Fe 3+, Co 3+, Y 3+, Sc 3+, is at least one selected from Eu 3+. Since these metal ions have more valence electrons than zinc, they are dissolved in the zinc site in zinc oxide to generate free electrons as carriers. Therefore, the conductivity of zinc oxide doped with these metal elements can be expected to improve dramatically. Since these metal elements have an ionic radius relatively close to that of zinc ions, they can be dissolved in zinc oxide crystals stably without causing distortion in the crystal structure. A more preferable metal element has a small distortion when dissolved in ZnO, and can be doped into a ZnO crystal at a molar ratio of up to about 0.1. As a result, high conductivity and thermoelectric conversion characteristics can be expected. Al. ("New development of transparent conductive film II", 31-40 pages, October 2002, CMC Publishing)

本発明においては、2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理して形成した構造体は、層状金属水酸化物の板状形状に由来して、ブルーサイトもしくはCdI型構造の基本層シートに垂直な方位(c軸)に優先的に配向した結晶配向性を有する。さらに、このc軸配向した層状金属水酸化物の構造体を加熱することにより、結晶配向性を有する多結晶性の酸化物構造体を作製することが可能となる。 In the present invention, the structure formed by orienting the layered metal hydroxide plate-like particles containing divalent metal ions is derived from the plate-like shape of the layered metal hydroxide, resulting in brucite or CdI. It has crystal orientation preferentially oriented in an orientation (c-axis) perpendicular to the base layer sheet of type 2 structure. Further, by heating the c-axis oriented layered metal hydroxide structure, it is possible to produce a polycrystalline oxide structure having crystal orientation.

本発明にあっては、この層状金属水酸化物の配向処理および加熱処理により、層状金属水酸化物構造体の結晶異方性を維持しながらトポタクティックに酸化物構造体に結晶構造変換できることが重要となる。また本発明の結晶配向性構造体は、層状金属水酸化物に含まれる金属イオンの種類により、得られる酸化物構造体の結晶構造は異なる。例えば、Al3+をモル比率で0〜0.2程度を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を配向処理し、さらに加熱処理した場合、ウルツ鉱型ZnOのc軸に配向した結晶配向性の導電性酸化物構造体を作製できる。このZnO結晶配向構造体は、原料である層状水酸化亜鉛塩中にAl3+が予め高度に分散していることから、Al3+が均一に固溶し、さらに導電性の高いc面に平行に配向した構造であるため、高い熱電変換性能が期待できる。また、Fe3+を含む層状水酸化コバルト塩の板状粒子を配向処理して、さらに加熱処理することにより、(111)方向に配向したスピネル構造フェライトからなる結晶配向性構造体を作製できる。この(111)配向スピネルフェライト構造体は、磁気異方性があることから磁性材料、磁性膜等への適用が期待できる。 In the present invention, this layered metal hydroxide orientation treatment and heat treatment can topographically convert the crystal structure into an oxide structure while maintaining the crystal anisotropy of the layered metal hydroxide structure. Is important. In addition, the crystalline structure of the present invention has a different crystal structure depending on the type of metal ions contained in the layered metal hydroxide. For example, when plate-like particles of layered zinc hydroxide salt containing Al 3+ in a molar ratio of about 0 to 0.2 are subjected to an orientation treatment and further subjected to a heat treatment, the crystal orientation of the wurtzite ZnO oriented to the c-axis A conductive oxide structure can be manufactured. In this ZnO crystal orientation structure, Al 3+ is highly dispersed in advance in the layered zinc hydroxide salt as a raw material, so that Al 3+ is uniformly solid-solved and parallel to the highly conductive c-plane. Because of the oriented structure, high thermoelectric conversion performance can be expected. Also, the alignment process plate-like particles of the layered cobalt hydroxide salt containing Fe 3+, by further heat treatment, produce the crystal orientation structure comprising a spinel structure ferrite oriented in (111) direction. Since this (111) -oriented spinel ferrite structure has magnetic anisotropy, application to a magnetic material, a magnetic film, etc. can be expected.

層状金属水酸化物に含まれる3価の金属イオンの存在状態としては、層状金属水酸化物を構成するブルーサイトもしくはCdI基本層シートの2価の金属イオン部位に置換固溶された状態であっても、格子間に侵入固溶された状態であっても良い。 The presence state of trivalent metal ions contained in the layered metal hydroxide is a state in which the trivalent metal ions are substituted and dissolved in the divalent metal ion site of the brucite or CdI 2 base layer sheet constituting the layered metal hydroxide. Even if it exists, it may be in the state of entering and dissolving between the lattices.

本発明にあっては、層状金属水酸化物の板状粒子は、例えば、水溶液中での原料金属塩の加水分解反応を利用した湿式プロセスにより作製でき、中でも、共沈法、水熱合成法、均一沈殿法等の方法が好適に利用することができる。   In the present invention, the layered metal hydroxide plate-like particles can be produced, for example, by a wet process using a hydrolysis reaction of a raw material metal salt in an aqueous solution, and among others, a coprecipitation method, a hydrothermal synthesis method, and the like. A method such as a uniform precipitation method can be suitably used.

本発明において用いられる層状金属水酸化物は、前述の通りブルーサイトもしくはCdI構造を基本構造とする。このブルーサイトもしくはCdI構造の基本層はカチオン性であるため、その層間には、結晶の電気的中性を保つためにアニオンが含まれる。 The layered metal hydroxide used in the present invention has a brucite or CdI 2 structure as a basic structure as described above. Since the basic layer of the brucite or CdI 2 structure is cationic, an anion is contained between the layers in order to maintain the electrical neutrality of the crystal.

アニオンの種類としては、成型体の高温での加熱処理により速やかに分解もしくは揮発することによって、成型体中に不純物として残存しにくいものが好ましい。すなわち、硫酸イオンやハロゲン化物イオン等の難揮発性アニオンは、加熱処理により分解もしくは揮発しにくいため、酸化亜鉛結晶中に残存することが懸念され、結果的に熱電変換素子としての性能に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。ここで、難揮発性のアニオンとは、大気中での1000℃程度での焼成により、大気中に放散せずに、焼成後の酸化物表面に吸着もしくは固溶することにより、酸化物1molあたり0.01mol以上残存するアニオン種を示す。残存するアニオン種を示す。よって、本発明における層間アニオンとしては、高温での加熱処理により速やかに分解もしくは揮発するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酢酸イオン、乳酸イオン、酪酸イオン、アミノ酸イオン等の有機アニオンや、硝酸イオン等の無機アニオンが好ましい。   As the kind of anion, an anion that is hardly decomposed or volatilized by heat treatment at a high temperature of the molded body, and hardly remains as an impurity in the molded body is preferable. That is, since hardly volatile anions such as sulfate ions and halide ions are difficult to decompose or volatilize by heat treatment, there is a concern that they may remain in the zinc oxide crystal, resulting in adverse effects on the performance as a thermoelectric conversion element. This is because there is a risk of effect. Here, the hardly volatile anion means that it is adsorbed or dissolved in the surface of the oxide after firing without being dissipated in the atmosphere by firing at about 1000 ° C. in the atmosphere. Anion species remaining at 0.01 mol or more are shown. The remaining anionic species is indicated. Therefore, the interlayer anion in the present invention is not particularly limited as long as it is rapidly decomposed or volatilized by heat treatment at a high temperature. For example, acetate ions, lactate ions, butyrate ions, amino acid ions, etc. Organic anions and inorganic anions such as nitrate ions are preferred.

本発明において用いられる層状金属水酸化物は、その板状粒子の平均板面径が50nm以上30000nm以下であり、平均板厚が5nm以上1000nm以下である。そして、本発明において用いられる層状金属水酸化物の板状粒子の(平均板面径/平均板厚)で表される平均アスペクト比は、10以上1000以下である。   The layered metal hydroxide used in the present invention has an average plate surface diameter of 50 nm to 30000 nm and an average plate thickness of 5 nm to 1000 nm. The average aspect ratio represented by (average plate surface diameter / average plate thickness) of the plate-like particles of the layered metal hydroxide used in the present invention is 10 or more and 1000 or less.

層状金属水酸化物の平均板面径、平均板厚、平均アスペクト比が、それぞれ上記の範囲外である場合、成型処理による板状粒子の配向が不十分となり、成型体がランダムな結晶配向状態となる恐れがある。ここで、本発明における平均板面径および平均板厚はそれぞれ、走査型電子顕微鏡(例えば、日立製作所製、“S−800”)の倍率10000倍の視野で観測される、粒子50個の板面直径および板厚を平均することにより測定することができる。   When the average plate surface diameter, average plate thickness, and average aspect ratio of the layered metal hydroxide are out of the above ranges, the plate-like particles are not sufficiently oriented by the molding process, and the compact is in a random crystal orientation state. There is a risk of becoming. Here, the average plate surface diameter and the average plate thickness in the present invention are each a plate of 50 particles observed in a field of view of a magnification of 10,000 times of a scanning electron microscope (for example, “S-800” manufactured by Hitachi, Ltd.). It can be measured by averaging the surface diameter and the plate thickness.

本発明の他の態様においては、層状水酸化物の板状粒子を成型する工程を含む。成型体は、層状金属水酸化物の板状形状に由来して、層状水酸化物を構成する基本層シートに垂直な方位(c軸)に優先的に配向した結晶配向性を有するものである。また本発明の結晶配向性構造体では、c軸配向した層状金属水酸化物成型体を加熱することにより、層状金属水酸化物構造体の結晶異方性を維持しながらトポタクティックに酸化物構造体に結晶構造変換することで、多結晶性の結晶配向性構造体が得られる。また本発明においては、層状金属水酸化物の原料粉末を仮焼して酸化物に相転移させた後に成型体を作製し、加熱処理することによっても、結晶配向性構造体を得ることが可能である。   In another aspect of the present invention, the method includes a step of molding layered hydroxide plate-like particles. The molded body is derived from the plate-like shape of the layered metal hydroxide and has crystal orientation preferentially oriented in an orientation (c-axis) perpendicular to the basic layer sheet constituting the layered hydroxide. . Further, in the crystal orientation structure of the present invention, the c-axis oriented layered metal hydroxide molded body is heated to maintain the crystal anisotropy of the layered metal hydroxide structure in a topotropic manner. By converting the crystal structure into a structure, a polycrystalline crystal orientation structure can be obtained. In the present invention, it is also possible to obtain a crystallographically oriented structure by calcining a raw material powder of a layered metal hydroxide and making a phase transition to an oxide, and then producing a molded body and heat-treating it. It is.

また本発明における他の態様としては、自立性成型体の形態を有する結晶配向性構造体である。この自立性成型体は、例えば、層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱処理することにより得られる。本発明において用いられる層状金属水酸化物またはその仮焼体の成型体の作製方法としては、乾式成型法、湿式成型法のいずれも好適に用いることができる。乾式成型法としては、例えば、一軸プレス成型法、ホットプレス法、ホットフォージ法、等が挙げられる。また、層状金属水酸化物の板状粒子を分散させたスラリー、ゾル等のコーティング剤を用いる場合、湿式成型法としては、例えば、射出成型法、鋳込成型法、押出し成型法、加圧成型法、遠心成型法、等が挙げられる。本発明にあっては、低コストで結晶配向性構造体を作製するために、最も簡便な方法であり、大量生産可能な一軸プレス成型法をより好適に利用することができる。また上記成型方法により成型した成型体の充填密度を向上させるために、静水圧プレス(CIP)処理を行っても良い。   Moreover, as another aspect in this invention, it is a crystal orientation structure which has the form of a self-supporting molded object. This self-supporting molded body can be obtained, for example, by subjecting plate-like particles of layered metal hydroxide to orientation treatment and further heat treatment. As a method for producing a layered metal hydroxide used in the present invention or a molded body of the calcined body, any of a dry molding method and a wet molding method can be suitably used. Examples of the dry molding method include a uniaxial press molding method, a hot press method, and a hot forge method. In addition, when a coating agent such as a slurry or sol in which plate-like particles of layered metal hydroxide are dispersed is used, examples of wet molding methods include injection molding, casting molding, extrusion molding, and pressure molding. Method, centrifugal molding method, and the like. In the present invention, the uniaxial press molding method which is the simplest method and can be mass-produced can be used more suitably for producing a crystal orientation structure at low cost. Moreover, in order to improve the filling density of the molded object shape | molded by the said shaping | molding method, you may perform a hydrostatic pressure press (CIP) process.

本発明において、結晶配向性構造体を製造するための加熱温度は、層状金属水酸化物から酸化物への結晶相転移が起こる温度であれば良く、金属イオンの種類によっても異なるが、例えば50〜1500℃が好ましい。また、焼結性を向上させるために、スパークプラズマ焼結(SPS)法等を利用しても良い。   In the present invention, the heating temperature for producing the crystal orientation structure may be any temperature at which a crystal phase transition from a layered metal hydroxide to an oxide occurs, and varies depending on the type of metal ion, for example 50 ˜1500 ° C. is preferred. In order to improve the sinterability, a spark plasma sintering (SPS) method or the like may be used.

酸化亜鉛焼結体は、ドーパントとなる金属元素が単独で原料となる層状水酸化亜鉛塩に予め含まれることから、焼成後のZnOの結晶格子中にドーパントが均一にドーピングされるので、優れた導電性および熱電変換特性を実現できる。したがって熱電材料として利用が可能である。   Since the zinc oxide sintered body is preliminarily contained in the layered zinc hydroxide salt as a raw material alone as a dopant, the dopant is uniformly doped in the crystal lattice of ZnO after firing. Conductivity and thermoelectric conversion characteristics can be realized. Therefore, it can be used as a thermoelectric material.

また本発明における他の態様としては、基板上に形成された膜形状を有する結晶配向性構造体である。この膜形状を有する結晶配向性構造体は、例えば、2価および3価の金属イオンを含む層状水酸化物の板状粒子を含むコーティング剤を、スピンコーティング法、ディップコーティング法、テープ成型法、ドクターブレード法等を用いた製膜における基板上での配向化により、基板に平行に板状粒子の板面を配向させて、さらに加熱処理することで得られる。これらの方法は、所望の膜厚を得るために選定すればよく、薄膜形状(膜厚が5nm以上1μm以下)を得る場合、スピンコーティング法、ディップコーティング法が好ましく用いられ、厚膜形状(膜厚が1μm以上1mm以下)を得る場合は、テープ成型法、ドクターブレード法等を好ましく用いることができる。この場合、加熱処理温度は、基板として用いる材料の耐熱温度以下であれば良い。2価および3価の金属イオンを含む層状金属水酸化物の板状粒子を含むコーティング剤としては、溶媒としては、板状粒子を良好に分散できれば、水系、溶剤系、および、それらを混合させたもののどれでも適用できる。またコーティング剤中での板状粒子の分散性を向上させるために、コーティング剤中に分散剤を添加しても良い。この分散剤としては、イオン性(カチオン性、アニオン性)、非イオン性のどちらでも良い。そして、層状金属水酸化物の板状粒子のコーティング剤中での濃度は所望の濃度に調整可能であり、板状粒子の分散性および製膜効率を考慮すると、重量濃度換算で0.001〜50wt%で使用可能である。   Another embodiment of the present invention is a crystal orientation structure having a film shape formed on a substrate. The crystal orientation structure having this film shape is obtained by applying, for example, a coating agent containing plate-like particles of layered hydroxide containing divalent and trivalent metal ions, spin coating method, dip coating method, tape molding method, By orientation on the substrate in film formation using a doctor blade method or the like, the plate surface of the plate-like particles is oriented parallel to the substrate, and further heat-treated. These methods may be selected to obtain a desired film thickness. When a thin film shape (film thickness of 5 nm to 1 μm) is obtained, a spin coating method or a dip coating method is preferably used, and a thick film shape (film When a thickness of 1 μm or more and 1 mm or less is obtained, a tape molding method, a doctor blade method, or the like can be preferably used. In this case, the heat treatment temperature may be equal to or lower than the heat resistant temperature of the material used as the substrate. As a coating agent containing plate-like particles of layered metal hydroxide containing divalent and trivalent metal ions, as a solvent, if the plate-like particles can be dispersed well, an aqueous system, a solvent system, and a mixture thereof are mixed. Any of these can be applied. In order to improve the dispersibility of the plate-like particles in the coating agent, a dispersant may be added to the coating agent. This dispersant may be either ionic (cationic or anionic) or nonionic. And the density | concentration in the coating agent of the plate-like particle | grains of a layered metal hydroxide can be adjusted to a desired density | concentration, and when considering the dispersibility and film forming efficiency of a plate-like particle, it is 0.001 in conversion of weight concentration. It can be used at 50 wt%.

そして、上記のような方法により作製された層状金属水酸化物の結晶配向膜を加熱することにより、結晶異方性を維持しつつ酸化物への結晶相転移を促すことで、本発明の膜形状を有する結晶配向性構造体は作製できる。この際、加熱処理する温度としては、金属イオンの種類によっても異なるが、層状金属水酸化物から酸化物への結晶相転移が起こり、且つ基板として用いる材料の耐熱温度以下であれば良い。例えば、樹脂基板を用いる場合は、50〜300℃、ガラス基板を用いる場合は、50〜700℃、そして耐熱性の高い金属およびセラミック基板を用いる場合は、50〜1500℃が好ましい。   Then, by heating the crystal orientation film of the layered metal hydroxide produced by the method as described above, the film of the present invention is promoted by promoting the crystal phase transition to the oxide while maintaining the crystal anisotropy. A crystal orientation structure having a shape can be manufactured. At this time, the temperature at which the heat treatment is performed varies depending on the type of metal ion, but may be any temperature that is not higher than the heat resistance temperature of the material used as the substrate in which a crystal phase transition from the layered metal hydroxide to the oxide occurs. For example, when using a resin substrate, 50 to 300 ° C., when using a glass substrate, 50 to 700 ° C., and when using a metal and ceramic substrate having high heat resistance, 50 to 1500 ° C. are preferable.

結晶配向性構造体における結晶配向性は、例えば、X線回折測定装置(パナリティカル製“Xpert Pro”、X線源:CuKα、波長:1.54オングストローム、印加電圧:45kV)により調べることができる。またX線回折測定により得られるピーク強度をLotgering法により解析することにより、配向度を定量的に算出することも可能である。本発明における結晶配向性構造体の結晶配向面を(xyz)面とすると、 Lotgering法による軸配向度は、X線回折により得られるI ( h k l ) ピーク強度をそれぞれ求め、これらのピーク強度の和に対し、I ( x y z ) の割合を示し、以下の式で与えられるf で算出される。
f = ( P − P ) / ( 1 − P
ここで、P はP = Σ I ( x y z ) / Σ I ( h k l ) で表され、配向試料から得られたピーク強度である。P はP = Σ I ( x y z ) / Σ I ( h k l ) で表され、無配向試料から得られるピーク強度である。本発明の結晶配向性構造体の軸配向度fは、0.5以上1.0未満であり、高い結晶配向性を示す。
The crystal orientation in the crystal orientation structure can be examined by, for example, an X-ray diffraction measurement apparatus (Panalytic “Xpert Pro”, X-ray source: CuKα, wavelength: 1.54 Å, applied voltage: 45 kV). Further, it is possible to quantitatively calculate the degree of orientation by analyzing the peak intensity obtained by the X-ray diffraction measurement by the Lottgering method. Assuming that the crystal orientation plane of the crystal orientation structure in the present invention is an (xyz) plane, the degree of axial orientation by the Lottgering method is to obtain I (h k l) peak intensities obtained by X-ray diffraction, and these peak intensities The ratio of I (x yz) to the sum of, and is calculated by f 1 given by the following equation.
f = (P - P 0) / (1 - P 0)
Here, P is a peak intensity expressed by P = ΣI (xyz) / ΣI (hkl) and obtained from an oriented sample. P 0 is represented by P 0 = ΣI 0 (x yz) / ΣI 0 (h k l), and is a peak intensity obtained from an unoriented sample. The axial orientation degree f of the crystal orientation structure of the present invention is 0.5 or more and less than 1.0, and exhibits high crystal orientation.

以上のように説明した本発明における結晶配向性構造体を、熱電材料として熱電変換素子に用いた場合、酸化亜鉛の高導電性のc面に平行な面が並んだ特徴があるため、優れた熱電変換特性を発揮することができる。本発明における熱電材料の熱電変換特性は、熱電特性測定装置(例えば、オザワ科学製“RZ2001i”)で測定することが可能である。これにより、約5mm×約5mm×約15mmの角柱状に切出した測定サンプルを用いて、各温度域(例えば、0〜1000℃)で、サンプル両端に温度差をつけた際の導電率(σ)やゼーベック係数(S)の測定が可能となり、これにより出力因子(σS)を求めることができる。またレーザーフラッシュ熱物性測定装置(例えば、京都電子工業製、“LFA−502”)により、熱伝導率κを求めることができる。具体的には、約5mm×約5mm×約1mm厚の板状に切出した測定サンプルの表面に、エネルギー密度が均一なレーザービームをパルス状に照射し均一に加熱すると、その熱がサンプルの裏面に拡散する時間と温度変化を検出することにより熱拡散率が分かり、これとサンプル密度から、熱伝導率を求めることができる。以上の測定により、種々の温度域における導電率、ゼーベック係数、熱伝導率から、ZT(=σS/κ)を求めることができる。 When the crystal orientation structure in the present invention described above is used as a thermoelectric material for a thermoelectric conversion element, it has excellent characteristics because a plane parallel to the highly conductive c-plane of zinc oxide is arranged. Thermoelectric conversion characteristics can be exhibited. The thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric material in the present invention can be measured with a thermoelectric characteristic measuring device (for example, “RZ2001i” manufactured by Ozawa Science). Thus, using a measurement sample cut into a prismatic shape of about 5 mm × about 5 mm × about 15 mm, the conductivity (σ) when a temperature difference is given to both ends of the sample in each temperature range (for example, 0 to 1000 ° C.). ) And Seebeck coefficient (S) can be measured, whereby the output factor (σS 2 ) can be obtained. Further, the thermal conductivity κ can be obtained by a laser flash thermophysical property measuring apparatus (for example, “LFA-502” manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.). Specifically, when the surface of a measurement sample cut into a plate of about 5 mm x about 5 mm x about 1 mm is irradiated with a laser beam with a uniform energy density in a pulse shape and heated uniformly, the heat is applied to the back of the sample. The thermal diffusivity can be determined by detecting the time and temperature change to diffuse, and the thermal conductivity can be obtained from this and the sample density. By the above measurements, the conductivity at various temperatures range, Seebeck coefficient, the thermal conductivity can be obtained ZT (= σS 2 / κ) .

(実施例1)
Al 3+ を含む層状水酸化亜鉛塩の作製
ドーパントを含む層状水酸化亜鉛塩は、以下の手順により合成した。
酢酸亜鉛(和光純薬製)0.098molと、ドーパントとなるAl3+イオン源である酢酸アルミニウムn水和物(和光純薬製)0.002molを蒸留水1000mlに溶解させ、室温で約1時間攪拌した。作製した金属塩水溶液に、0.1M 水酸化ナトリウム水溶液1000mlを室温で攪拌しながら1時間かけて滴下し、その後約20時間攪拌を行った。攪拌終了後、遠心分離することで白色ゲルを回収し、蒸留水による洗浄処理と遠心分離を、上澄みのpHが7程度になるまで繰り返すことで白色ゲルを得た。得られた白色ゲルを吸引ろ過して、100mlのエタノールで洗浄後、60℃で2時間乾燥することで、白色の薄板状体を得た。
Example 1
Preparation of layered zinc hydroxide salt containing Al 3+ A layered zinc hydroxide salt containing a dopant was synthesized by the following procedure.
Zinc acetate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 0.098 mol and Al 2 + ion source aluminum acetate n hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 0.002 mol as a dopant are dissolved in 1000 ml of distilled water, and about 1 hour at room temperature. Stir. To the prepared aqueous metal salt solution, 1000 ml of a 0.1 M aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise over 1 hour while stirring at room temperature, and then stirred for about 20 hours. After the stirring, the white gel was recovered by centrifuging, and the white gel was obtained by repeating washing with distilled water and centrifuging until the pH of the supernatant reached about 7. The obtained white gel was subjected to suction filtration, washed with 100 ml of ethanol, and dried at 60 ° C. for 2 hours to obtain a white thin plate.

この薄板状体をX線回折測定装置(パナリティカル製“Xpert Pro”、X線源:CuKα、波長:1.54オングストローム、印加電圧:45kV)によるX線回折(XRD)測定、結晶構造の同定を行ったところ、ブルーサイト構造を有する層状水酸化亜鉛酢酸塩の単相に帰属された。また薄板状体の表面に垂直に層状水酸化亜鉛酢酸塩のc軸が強く配向しており、Lotgering法によるc軸配向度は、約0.8であった。この薄板状体の走査型電子顕微鏡(SEM、日立製作所製、“S−800”)観察を行った結果を図1に示す。図1からも分かるように、板面径が100〜10000nmで、板厚が20〜100nmであり、アスペクト比が10〜200の薄板状粒子同士が板面に平行にスタックした形状であることが分かった。SEM観察により求めた平均板面径、平均板厚、および平均アスペクト比は、それぞれ5000nm、30nm、および100であった。   X-ray diffraction (XRD) measurement and crystal structure identification of this thin plate-like body using an X-ray diffraction measurement apparatus (Panalytic “Xpert Pro”, X-ray source: CuKα, wavelength: 1.54 Å, applied voltage: 45 kV) Was assigned to a single phase of layered zinc hydroxide acetate having a brucite structure. The c-axis of the layered zinc hydroxide acetate was strongly oriented perpendicular to the surface of the thin plate, and the degree of c-axis orientation by the Lottgering method was about 0.8. FIG. 1 shows the result of observation of this thin plate-like body with a scanning electron microscope (SEM, manufactured by Hitachi, Ltd., “S-800”). As can be seen from FIG. 1, the plate surface diameter is 100 to 10,000 nm, the plate thickness is 20 to 100 nm, and the thin plate-like particles having an aspect ratio of 10 to 200 are stacked in parallel to the plate surface. I understood. The average plate surface diameter, average plate thickness, and average aspect ratio determined by SEM observation were 5000 nm, 30 nm, and 100, respectively.

層状水酸化亜鉛酢酸塩の仮焼処理と焼結処理による結晶配向性ZnO焼結体の作製
次に、上記で得られた薄板状体を700℃で5時間焼成し、乳鉢で解砕することで得られた白色粉末のXRDパターンを測定した結果、c軸に配向したウルツ鉱型ZnOであることが分かった。そして、このc軸配向したZnO白色粉末を、一軸プレス成型機でプレス処理し、さらに静水圧プレス(CIP)処理することにより、直径約25mmで厚み約7mmの円盤状ペレットを作製した。
Preparation of crystal-oriented ZnO sintered body by calcining and sintering of layered zinc hydroxide acetate Next, the thin plate-like body obtained above is fired at 700 ° C. for 5 hours and crushed in a mortar. As a result of measuring the XRD pattern of the white powder obtained in Step 1, it was found to be wurtzite type ZnO oriented in the c-axis. The c-axis oriented ZnO white powder was pressed with a uniaxial press molding machine, and further subjected to isostatic pressing (CIP) to produce a disk-shaped pellet having a diameter of about 25 mm and a thickness of about 7 mm.

この円盤状ペレットを、1000℃で10時間、さらに1400℃で10時間焼成することにより焼結させた(ZnO−Al2%焼結体)。この焼結体の表面をサンドペーパーで研磨した後、XRDパターンを測定したところ、焼結体の円形表面に垂直にZnOのc軸が強く配向しており、Lotgering法によるc軸配向度は、0.89であった。また、この焼結体を粉砕した粉末のエネルギー分散X線分析(EDX)を測定し、金属換算の物質量比を求めたところ、Znに対してAlが約2%含有していること、およびZn、AlおよびO以外の元素が不純物として含まれていないことを確認した。   This disk-shaped pellet was sintered by firing at 1000 ° C. for 10 hours and further at 1400 ° C. for 10 hours (ZnO—Al 2% sintered body). After polishing the surface of the sintered body with sandpaper and measuring the XRD pattern, the c-axis of ZnO is strongly oriented perpendicular to the circular surface of the sintered body, and the degree of c-axis orientation by the Lottgering method is It was 0.89. Moreover, when the energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the powder which grind | pulverized this sintered compact was measured, and the substance amount ratio of metal conversion was calculated | required, Al contained about 2% with respect to Zn, and It was confirmed that elements other than Zn, Al and O were not contained as impurities.

結晶配向性ZnO焼結体の熱電物性測定
上記のように作製したc軸配向性のZnO―Al2%焼結体を、c軸に垂直な方向に長手方向がくるようにダイヤモンドカッターで5mm×5mm×15mmのサイズに切出し、全ての表面をサンドペーパーで研磨することにより、熱電物性測定サンプルを作製した。
Measurement of Thermoelectric Properties of Crystalline Oriented ZnO Sintered Body The c-axis oriented ZnO-Al2% sintered body produced as described above is 5 mm × 5 mm with a diamond cutter so that the longitudinal direction is in the direction perpendicular to the c-axis. A thermoelectric property measurement sample was prepared by cutting out to a size of 15 mm and polishing all surfaces with sandpaper.

熱電物性測定装置(オザワ科学製、“RZ2001i”)を用いて、ZnO焼結体の測定サンプルの室温(20℃)〜1000℃における熱電特性を評価した。各温度における導電率σ、ゼーベック係数Sおよび出力因子σSのデータを図2に示す。
導電率は、全温度域で100S/cm以上であり、さらに温度上昇と共に導電率がわずかに低下する傾向があり、ZnO―Al2%焼結体は金属的な電子伝導を示すことから、Al3+がドーパントとしてZnO結晶中に固溶していることを示している。またゼーベック係数および出力因子ともに高い値を示した。
Thermoelectric properties at room temperature (20 ° C.) to 1000 ° C. of the measurement sample of the ZnO sintered body were evaluated using a thermoelectric property measuring apparatus (“RZ2001i” manufactured by Ozawa Kagaku). Conductivity at each temperature sigma, the data of the Seebeck coefficient S and the power factor .sigma.s 2 shown in FIG.
The conductivity is 100 S / cm or more in the entire temperature range, and the conductivity tends to decrease slightly as the temperature rises. Since the ZnO—Al 2% sintered body shows metallic electronic conduction, Al 3+ Is dissolved in the ZnO crystal as a dopant. Both Seebeck coefficient and output factor were high.

さらに、レーザーフラッシュ熱物性測定装置(京都電子工業製、“LFA−502”)により、c軸方向に垂直に板厚方向がくるように切出した5mm×5mm×1mm厚の板状サンプルの室温〜1000℃までの熱伝導率κを測定した。これらの結果より、無次元性能指数ZTを求めたグラフを図3に示す。1000℃におけるZTは、約0.35であり、高い熱電特性を示した。   Furthermore, from a room temperature to a 5 mm × 5 mm × 1 mm thick plate sample cut out with a laser flash thermophysical property measuring device (“LFA-502” manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.) so that the plate thickness direction is perpendicular to the c-axis direction. The thermal conductivity κ up to 1000 ° C. was measured. The graph which calculated | required the dimensionless figure of merit ZT from these results is shown in FIG. ZT at 1000 ° C. was about 0.35, and showed high thermoelectric properties.

(実施例2)
硝酸亜鉛六水和物(和光純薬製)0.095molと硝酸アルミニウム九水和物 0.005molを用いて作製したAl3+を含む層状水酸化亜鉛硝酸塩を原料に用いた以外は、実施例1と同様の手順で、ZnO−Al5%焼結体を作製した。層状水酸化亜鉛硝酸塩の薄板状体およびZnO−Al5%焼結体のLotgering法によるc軸配向度は、ともに0.87であった。
(Example 2)
Example 1 except that layered zinc hydroxide nitrate containing Al 3+ produced using 0.095 mol of zinc nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 0.005 mol of aluminum nitrate nonahydrate was used as a raw material. A ZnO—Al 5% sintered body was produced in the same procedure as described above. Both the lamellar zinc hydroxide nitrate sheet and the ZnO—Al 5% sintered body had a c-axis orientation of 0.87 by the Lottgering method.

このZnO―Al5%焼結体の熱電物性(導電率、ゼーベック係数、出力因子)を図4に、ZTの温度依存性を図5に示す。ZnO―Al5%焼結体は、高い熱電変換特性を有することが分かる。   The thermoelectric properties (conductivity, Seebeck coefficient, output factor) of this ZnO—Al 5% sintered body are shown in FIG. 4, and the temperature dependence of ZT is shown in FIG. It can be seen that the ZnO—Al 5% sintered body has high thermoelectric conversion characteristics.

実施例1におけるAl3+を含む層状水酸化亜鉛酢酸塩のSEM像を示す図である。2 is a diagram showing an SEM image of a layered zinc hydroxide acetate containing Al 3+ in Example 1. FIG. 実施例1におけるZnO−Al2%焼結体の熱電物性を示す図である。2 is a diagram showing thermoelectric properties of a ZnO—Al 2% sintered body in Example 1. FIG. 実施例1におけるZnO−Al2%焼結体のZTの温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of ZT of the ZnO-Al2% sintered compact in Example 1. FIG. 実施例2におけるZnO−Al5%焼結体の熱電物性を示す図である。6 is a diagram showing thermoelectric properties of a ZnO—Al 5% sintered body in Example 2. FIG. 実施例2におけるZnO−Al5%焼結体のZTの温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of ZT of the ZnO-Al5% sintered compact in Example 2. FIG.

Claims (10)

2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱することにより得られる、結晶配向性構造体。 A crystal-oriented structure obtained by subjecting plate-like particles of layered metal hydroxide containing divalent metal ions to orientation treatment and further heating. 2価の金属イオンに対して、3価の金属イオンが0より大きく1以下のモル比率で含まれる層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱することにより得られる、請求項1に記載の結晶配向性構造体。 It is obtained by subjecting plate-like particles of layered metal hydroxide containing trivalent metal ions in a molar ratio of greater than 0 to 1 or less to divalent metal ions, and further heating. 2. The crystal orientation structure according to 1. 前記2価の金属イオンが、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Sr2+、Cd2+から選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の結晶配向性構造体。 The divalent metal ion is at least one selected from Mg 2+ , Ca 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sr 2+ , and Cd 2+. 3. The crystal orientation structure according to 2. 前記3価の金属イオンが、Al3+、Ga3+、Fe3+、Mn3+、In3+、Co3+、Y3+、Ce3+、La3+から選ばれる少なくとも1種である、請求項2または3に記載の結晶配向性構造体。 The trivalent metal ions, Al 3+, Ga 3+, Fe 3+, Mn 3+, In 3+, Co 3+, Y 3+, Ce 3+, is at least one selected from La 3+, according to claim 2 or 3 Crystal orientation structure. 前記結晶配向性構造体は自立性成型体である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の結晶配向性構造体。 The crystal orientation structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the crystal orientation structure is a self-supporting molded body. 前記結晶配向性構造体は、基材上に形成された膜である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の結晶配向性構造体。 The crystal orientation structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the crystal orientation structure is a film formed on a substrate. 2価の金属イオンを含む層状金属水酸化物の板状粒子を配向処理し、さらに加熱することを含んでなる、結晶配向性構造体の製造方法。 A method for producing a crystallographic orientation structure, comprising subjecting plate-like particles of layered metal hydroxide containing divalent metal ions to orientation treatment and further heating. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の結晶配向性構造体を熱電変換材料として用いてなる、熱電素子。 The thermoelectric element which uses the crystal orientation structure as described in any one of Claims 1-6 as a thermoelectric conversion material. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の結晶配向性構造体を誘電体として用いてなる、誘電素子。 The dielectric element which uses the crystal orientation structure as described in any one of Claims 1-6 as a dielectric material. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の結晶配向性構造体を磁性体として用いてなる、磁気素子。 The magnetic element which uses the crystal orientation structure as described in any one of Claims 1-6 as a magnetic body.
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