JP2010065245A - Mg2Xの製造方法並びにMg金属間化合物及びそれを応用したデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 電気伝導性に優れたn型のMg金属化合物(Mg2X)を提供すること
【解決手段】 逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)であって、ドナー添加物として、Asを添加するようにした。Asは、Mg2Xに対して高い固溶限界を有し、高い電気伝導度を有するMg2Xとなる。
【選択図】 なし
【解決手段】 逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)であって、ドナー添加物として、Asを添加するようにした。Asは、Mg2Xに対して高い固溶限界を有し、高い電気伝導度を有するMg2Xとなる。
【選択図】 なし
Description
本発明は、Mg2Xの製造方法並びにMg金属間化合物及びそれを応用したデバイスに関するものである。
半導体材料から成る熱電変換材料としては、これまでBi−Te系等の半導体材料が検討され、一部実用化されている。しかし一般民生用として、300℃以上の中高温で使用できる熱電材料は、未だ特性不十分であり、実用化にはまだ遠いのが現状である。
一方、特許文献1に開示されているように、Mg−Si系熱電材料を構成する代表的なものの一つとして、Mg2Siがある。このMg2Siを構成する元素は、毒性がないとともに地球地殻に豊富に存在するという点でも好ましい。
2002−285274号公報
M.Umemoto,Y.Shirai and K.Tsuchiya,The Fourth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing(PRICM4),Edlted by S.Hanada,Z.Zhong,S.W.Nam and R.N.Wright,The Japan Institute of Metals,2001.p2145−2148
上述したMg2Siに代表されるMg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)のMg金属間化合物を熱電変換材料として用いる場合、それにより製造される熱電変換デバイスの高効率化のためには、Mg金属間化合物の電気伝導性を良好にする必要がある。この良好な電気伝導性を実現するために、BiやSbなどを添加元素として加える方法がある。しかし、このBiやSbは、毒性があるとともに、地球地殻に存在する量も少なく資源の枯渇の問題もある。また、電気伝導性を良好にするための添加元素として、Alを用いることも考えられている。このAlは、無毒であるとともに、資源の枯渇の問題もないという点で好ましい。しかし、非特許文献1にて報告されているように、Alは、Mg2Siに対する固溶限界が低いので、電気伝導に寄与するキャリア不足が問題となり、肝心の電気伝導性が、Bi等に比べて低下する。そして、ドナー添加物として試みられたAl,Sb,Biは、熱電変換デバイスの高効率化に鑑みた場合、いずれもキャリア密度が十分とはいえない。
この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、電気伝導性に優れ、熱電変換デバイスの高効率化を図るのに適したMg2Xの製造方法並びにMg金属化合物及びそれを応用したデバイスを提供することにある。
上述した目的を達成するために、(1)本発明に係るMg金属間化合物は、逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)であって、ドナー添加物として、Asを添加するようにした。
逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは、4族元素)は、環境負荷が少ない狭バンドギャップ半導体となる。そして、Asは、添加物であり、その添加量はわずかであるので、Asを添加したMg2Xも環境に優しい低環境負荷なものとなる。そして、Asは、Xに対して固溶限界が高く、キャリア密度が十分に高くすることができ、電気伝導性も良好となる。
なお、Asは沸点が低いので、高温溶融法で製造する場合には、予めAsを添加したSiやGeを原材料として用いることから、XはSn単独のものは除外され、Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素であって、少なくともSiとGeの一方を含むものとなる。但し、作製温度をAsの沸点未満にすることで、Asを直接原料とすることができるので、XがSn単独の場合もあり得る。
(2)Asの濃度が全原子の2.1×10−3at%以上1at%以下になるようにするとよい。係る範囲とすると、As添加Mg2X中のAsによるn型キャリア密度が、1×1018〜3×1020cm−3となるので好ましい。
(3)本発明に係るMg2Xの製造方法は、ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)の製造方法であって、Asを直接原料とするとともに、前記Mg2Xを構成する各元素を所定量秤量し、秤量した各元素を混合するとともに、Asの沸点未満の作製温度で加熱して前記各元素を反応させるようにした。
(4)本発明に係るMg2Xの製造方法は、逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)の製造方法であって、Xに予めAsを添加したものを当該物質の原材料とし、前記Mg2Xを構成する各元素を所定量秤量し、秤量した各元素を混合するとともに、作製温度で加熱して前記各元素を反応させるようにし、前記作製温度は、前記Asを添加した物質の融点よりも低い温度としてもよい。作製温度は、例えば、200℃以上1100℃以下とすることができる。
なお、高温溶融法により製造する場合には、作製温度がSnの沸点以上となるので、AsをSnに添加しても作製温度においてAsが蒸発してしまう。従って、係る場合にはAsを添加できるXは、SiかGeとなるので、高温溶融法による製造方法は、逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素であって、少なくともSiとGeの一方を含む)の製造方法であって、Xを構成する元素であるSi及びまたはGeに予めAsを添加したものを当該元素の原材料とし、前記Mg2Xを構成する各元素を所定量秤量し、秤量した各元素を混合するとともに、作製温度で加熱して前記各元素を反応させるようにし、前記作製温度は、前記Asを添加した物質の融点よりも低い温度とすることになる。
このように高温溶融法を用いる場合、Asを添加する元素はSi及びまたはGeとなるので、そのSi及びまたはGeに予めAsを6.3×10−3at%以上3at%以下含ませるようにするとよい。そして、3at%を添加した場合のキャリア密度は、3×1020cm−3となる。また、6.3×10−3at%の場合のキャリア密度は、1×1018cm−3未満となり、良好な電気伝導性を得るための十分なキャリアが得られない。よって、係る範囲が好ましい。
Asの沸点は、615℃であり、Mg2Xを構成する各元素を高温融解法により反応させるための作製温度よりも低いため、Asをそのまま他の元素と一緒に混合して作製温度で加熱すると、そのAsは気相となってしまいAsを添加することができない。そこで、AsがSiに代表されるXに対する固溶限界が高いことを利用し、予めSi及びまたはGeに対してAsを添加したものを原材料とし、作製温度をAsを添加した物質よりも低く設定することで、Mg2Xを構成する各元素を加熱して反応させている際に、当該Si等が固相のままとなり、溶融しない。この場合、Asを添加した物質(Si及びまたはGe)が固相のままでも、Mgが溶融すれば固相−液相反応により化合物となる。そして、Asを添加した物質が固相のまま反応することから、その物質に添加されたAsも気相になることなく化合物であるMg2Xに添加された状態となる。よって、Asが添加とされたMg2Xを製造することができる。そして、製造されたMg2Xは、電気伝導性が良好となる。
そして、作製温度をSnの沸点未満とすることで、Asを添加したSnを用いることができる。これにより、Xは、Sn単独のものも製造できる。もちろん、作製温度がAsの沸点未満の場合、Xを構成する各元素のいずれの沸点よりも低くなるので、(4)の方法によりMg2Xを製造することができるし、さらには、Asを直接原料として用いた(4)の方法によりMg2Xを製造することもできる。
(5)予めAsを添加したXを原材料として用いる場合、XへのAsの添加量は、6.3×10−3at%以上3at%以下含ませるようにするとよい。そして、3at%を添加した場合のキャリア密度は、3×1020cm−3となる。また、6.3×10−3at%の場合のキャリア密度は、1×1018cm−3未満となり、良好な電気伝導性を得るための十分なキャリアが得られない。よって、係る範囲が好ましい。
(6)また、本発明に係る熱電変換材料としては、上記のMg金属間化合物のゼーベック係数αが、50μV/K以上としたり、或いは、(7)Mg金属間化合物の電気抵抗率ρが、10mΩcm以下とすることである。
(8)また、本発明の熱電変換素子は、複数の熱電変換材料を電気的に直列接続される熱電変換素子であって、そのうちの少なくとも1つが本発明に係る熱電変換材料とすることである。(9)そして、本発明に係る熱電冷却装置は、上記の本発明の熱電変換素子と、その熱電変換素子に電気的に接続された直流電源とを備えて構成することである。
(10)また、本発明の熱電発電モジュールは、上記の本発明の熱電変換素子と、その熱電変換素子に電気的に接続され、温度差によって前記熱電変換素子から電位差が生じるように構成することである。(11)さらに本発明の遠赤外受発光素子は、本発明のMg金属間化合物(n型)と、p型のMg金属間化合物とを具備することで構成される。
本発明では、Mg2Xへの固溶限界が高いAsを添加することで、キャリア密度が十分に高く高電気伝導度を有するn型のMg金属間化合物が実現できる。これにより、環境負荷が低い物質を用いた熱電変換素子や赤外線受発光素子その他のデバイスが実現される。また、添加するAsの沸点がMg2Xの作製温度よりも低くても、Xを構成する物質に予めAsを添加したものを用いて作製することで、Asを添加したMg金属間化合物を製造することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。本実施形態のMg金属化合物は、逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)において、電気伝導性を良好にするためのドナー添加物として、Asを添加するようにした。
AsのMg2Xに対する固溶限界は、Al(0.15at%)よりも十分高く、電気伝導に寄与するキャリアが十分に存在し、Alに比べて電気伝導性も良好となる。Asの固溶限界が高いことは、以下に示す実験並びにシミュレーション結果からも明らかである。
本実施形態では、XがSi、すなわちMg2Siを作製する際に、Asを添加した場合について考える。AsをSiサイトに置換固溶した場合、+1価に帯電した欠陥になり、n型キャリアを1つMg2Siに放出するドナーとなる。そこで、当該Mg2Siについて第一原理解析により、n型キャリア密度ごとに計算されたMg2Siのパワーファクター(α2/ρ)を求めた。その結果、図1に示すようになった。ここで、τはキャリア伝導における緩和時間である。通常、第一原理解析でゼーベック係数αを計算する際には、τを定数とみなすことが多いので、パワーファクターをτで割った量で検討しても問題はない。また、このパワーファクターをτで割った量は温度によって多少異なるが、図1は、代表的な温度として、580Kの場合を示している。
図1から明らかなように、パワーファクターは、キャリア密度が1×1020cm−3でピークを迎え、その有効な範囲は1×1018cm−3から5×1020cm−3となっている。従って、n型Mg2Siにおいて望ましいキャリア密度は、1×1018cm−3以上、5×1020cm−3以下となる。
これに対し、添加元素としてAlを用いた場合、AlはMgサイトに置換固溶し、+1価に帯電した欠陥となるので、Asと同様にn型キャリアを1つ持つMg2Siに放出するドナーとなる。ところが、非特許文献1で報告されているように、Alは、全ての原子に対して0.15at%という固溶限界がある。よって、仮に、0.15at%がすべてドナーに活性化したとしても、そのキャリア密度は高々7×1019であり、実際にはもっと低くなることから、Alを添加しただけでは、Asに比べてキャリア密度が低いといえる。つまり、Al添加ではパワーファクターとしての理想的なキャリア密度である1×1020cm−3に及ばない。As添加の方が固溶限界が高いのでより理想的なパワーファクターに近づけることができる。このことから、添加元素としてAsを用いた場合、Alに比べて電気伝導性が良好になるといえる。
AsとAlがドナーとなる際に必要なエネルギー(欠陥形成エネルギー)を、第一原理解析により算出すると、図2,図3に示すような結果が得られた。図2は、MgとSiの比が、2:1よりもSiが多いSi−rich条件の場合の欠陥形成エネルギーを示している。図3は、MgとSiの比が、2:1よりもMgが多いMg−rich条件の場合の欠陥形成エネルギーを示している。欠陥形成エネルギーとは、欠陥構造ができる際に必要なエネルギーを完全結晶を基準にして表したものであり、その値(エネルギーロス)が小さい欠陥ほど形成しやすいことを表す。つまり、欠陥形成エネルギーが小さいほど、キャリアがたくさん入りやすいと言える。
各図において、フェルミエネルギーの原点は、Mg2Siの価電子帯の上端を基準にしている。また、計算上の伝導帯の下端は、0.2eVである。従って、半導体としてのフェルミエネルギーの全領域は、価電子帯上端(0ev)から伝導帯下端(0.2eV)までとなり、当該全領域にわたり、Asを添加したMg2Siの欠陥形成エネルギーがAlを添加したMg2Siの欠陥形成エネルギーよりも低いことが確認できる。このように欠陥形成エネルギーが低いということは、欠陥が形成されやすいことを意味し、固溶限界が高いことを意味する。そして、Si−rich(図2)の場合とMg−rich(図3)の場合のいずれでも、半導体としてのフェルミエネルギーの全領域においてAsの方がAlよりも欠陥形成エネルギーが低いため、化学式通りのMgとSiの比が2:1の場合も半導体としてのフェルミエネルギーの全領域においてAsの方がAlよりも欠陥形成エネルギーが低いといえる。
これらのことからも、Asの方がAlよりも固溶限界が高く、高いキャリア密度が得られ、Alに比べてAsを添加したMg2Siが、良好な電気伝導性を得られる。よって、Asを添加元素にすることによって、Mg2Siは、高いパワーファクタを有する熱電材料となる。
上述した実施形態は、XがSi単独のMg2Siについて説明したが、XがSiに加えてGeとSnの一方または双方をさらに含むものでもよく、その場合の存在比は任意に設定できる。さらに、XはSiに限ることはなく、Ge単独としたり、Ge並びにSnとしたりすることもでき、GeとSnからなる場合の存在は任意に設定できる。
次に、本発明に係るMg金属間化合物の製造方法の一実施形態を説明する。添加元素であるAsの沸点は615℃であり、高温溶融法によるMg2Siの作製温度よりも低い。そのため、Mg、Si、Asの各原料粉末を所定の組成比になるように秤量したものをそのまま坩堝等に充填し、加熱すると、Asが蒸発してしまうため、Mg2SiにAsを添加することが困難となる。そこで本実施形態では、Siに対するAsの固溶限界が3at%と高いことを利用し、まず、SiにAsを添加する。次いで、Mg原料と、Asを添加したSi原料を所定の組成になるように秤量し、カーボンボート等の容器に入れ、800℃〜1100℃程度の温度で加熱する。この温度は、Siは溶融しない温度である。そのため、Si内に固溶するAsも溶融しない。そして、溶融したMg原料とSi原料とが固相・液相反応することにより、Mg2Siが作製される。この反応の際には、Siは固相のままMgと反応するため、予めSi内に添加されたAsも蒸発されることなく、SiとMgが反応して作製されるMg2Si内に添加された状態となる。
Asは、Siサイトに置換固溶し、n型キャリア(電子)をMg2Si中に生成することになり、高キャリア密度を有するn型Mg2Siが実現される。そして、AsのSiへの固溶限界は3at%と非常に高く、仮に、Asを3at%添加したSiを用いた場合、Asは、Mg2Si全原子に対して、3×1020cm−3となるので、ドナーとして働いた場合にキャリア密度として十分なものとなる。
そして、このようにして作製されたMg2Siを粉砕し、成型加圧し、真空中もしくは不活性ガス中でアニール処理をすることで、Mg金属間化合物が製造される。
なお、上記の実施形態では、作製温度の下限を800℃としたが、本発明はこれに限ることはなく、更に低い温度で作製することもできる。例えば、作製温度は200℃から1100℃の範囲とすることができる。そして、作製温度が、Asの沸点である615℃未満の場合には、Asを直接原料に用いることができる(もちろん、Siに予め添加しても良い)。作製温度が615℃未満とした場合、Mgの融点以下でもあるので、固相反応,メカニカルアロイング,Mg蒸気とSiの反応などの各種の方法で作製可能となる。
上記の実施形態では、XがSi単独で、Mg2Siを製造する場合を説明したが、本発明はこれに限ることはなく、他の4族の元素を含む形式で構成されても、同様の手法により製造することができる。すなわち、XがSiに加えてGeとSnの一方または双方をさらに含むものでもよく、その場合の存在比は任意に設定できる。いずれの場合も、AsはSiに添加するのが好ましいが、Geに対して添加しても良い。また、XがSiとGeを含む場合、Asの添加はいずれか一方でも良いし、両方でも良い。添加量はいずれか一方の元素に添加するだけで十分確保できるので、作業性を考慮すると、いずれか一方にするのがよい。また、XがSiを含まず、Ge単独としたり、Ge並びにSnとしたりした場合には、予めAsを添加したGeを用い、そのGeとMgとで固相・液相反応をさせるようにすることで対応できる。また、高温溶融法を用いる場合には、作製温度でSnも溶融してしまうのでSnにAsを添加する手法を採ることができないが、Asを添加する作製温度をAsの沸点未満とすることで、Asを直接原料に用いることができるので、XはSnが単独のものでもよい。
さらに、本実施形態のMg金属間化合物をn型熱電変換材料として用いる場合には、ゼーベック係数αが50μV/K以上になるように設定するとよい。或いは、電気抵抗率ρが10mΩcm以下になるように設定するとよい。このような場合において、パワーファクター(α2/ρ)を大きくすることができる。
また、本実施形態のMg2X金属間化合物からなるn型の熱電変換材料と、p型の熱電変換材料とをそれぞれ複数用意するとともに交互に配置しかつ電気的に直列接続されるように形成することで、本発明熱電変換素子の一実施形態を構成することができる。この例では、全ての熱電変換材料をMg2X金属間化合物で構成したが、本発明はこれに限ることはなく、複数のp型熱電変換材料と複数のn型熱電変換材料とが交互にかつ電気的に直列接続される構成において、複数のn型熱電変換材料の少なくとも一つが本発明の熱電変換材料とすればよい。
そして、上記の熱電変換素子に対し、直流電源を電気的に接続することで、本発明の熱電冷却装置の一実施形態を構成できる。また、上記の熱電変換素子を用いることで、温度差によって当該熱電変換素子から電位差が生じる熱電発電モジュールを構築することもできる。さらに、p型のMg金属間化合物とn型のMg金属間化合物をpn接合させることで、遠赤外受発光素子を形成できる。
Claims (11)
- 逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)であって、
ドナー添加物として、Asを添加するようにしたことを特徴とするMg金属間化合物。 - 前記Asの濃度が全原子の2.1×10−3at%以上1at%以下になるようにしたことを特徴とする請求項1に記載のMg金属間化合物。
- 逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)の製造方法であって、
Asを直接原料とするとともに、前記Mg2Xを構成する各元素を所定量秤量し、
秤量した各元素を混合するとともに、Asの沸点未満の作製温度で加熱して前記各元素を反応させることを特徴とするMg2Xの製造方法。 - 逆ホタル石構造を有する一般式:Mg2X(Xは4族元素Si及びGe及びSnから選択される一種または複数の元素)の製造方法であって、
Xに予めAsを添加したものを当該物質の原材料とし、
前記Mg2Xを構成する各元素を所定量秤量し、
秤量した各元素を混合するとともに、作製温度で加熱して前記各元素を反応させるようにし、
前記作製温度は、前記Asを添加した物質の融点よりも低い温度とすることを特徴とするMg2Xの製造方法。 - 予めXに添加する前記Asの量は、6.3×10−3at%以上3at%以下としたことを特徴とする請求項4に記載のMg2Xの製造方法。
- 請求項1から3のいずれかに記載のMg金属間化合物のゼーベック係数αが、50μV/K以上であることを特徴とする熱電変換材料。
- 請求項1から3のいずれかに記載のMg金属間化合物の電気抵抗率ρが、10mΩcm以下であることを特徴とするp型熱電変換材料。
- 複数の熱電変換材料が電気的に直列接続される熱電変換素子であって、
そのうちの少なくとも1つが、前記請求項6または7に記載の熱電変換材料であることを特徴とする熱電変換素子。 - 請求項8に記載の熱電変換素子と、その熱電変換素子に電気的に接続された直流電源と、を備えたことを特徴とする熱電冷却装置。
- 請求項8に記載の熱電変換素子と、その熱電変換素子に電気的に接続され、温度差によって前記熱電変換素子から電位差が生じるように構成したことを特徴とする熱電発電モジュール。
- p型のMg金属間化合物と、請求項1から3のいずれかに記載のMg金属間化合物と、を具備することを特徴とする遠赤外受発光素子。
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