JP2010080828A - Thermoelectric material, and method of manufacturing the same - Google Patents

Thermoelectric material, and method of manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2010080828A
JP2010080828A JP2008249758A JP2008249758A JP2010080828A JP 2010080828 A JP2010080828 A JP 2010080828A JP 2008249758 A JP2008249758 A JP 2008249758A JP 2008249758 A JP2008249758 A JP 2008249758A JP 2010080828 A JP2010080828 A JP 2010080828A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric material
thermoelectric
sintered body
zinc oxide
dopant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008249758A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiromasa Tokutome
弘優 徳留
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toto Ltd filed Critical Toto Ltd
Priority to JP2008249758A priority Critical patent/JP2010080828A/en
Publication of JP2010080828A publication Critical patent/JP2010080828A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal orientation thermoelectric material which can be manufactured without requiring complicated and expensive processes and has high thermoelectric conversion characteristics, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The thermoelectric material is a sintered body which has crystal orientation zinc oxide whose degree of c axis orientation by the Lotgering method is ≥0.6 and <0.9 as a principal component and is a material which has high thermoelectric performance whose thermoelectric output factor at 20 to 1,000°C is ≥8.0×10<SP>-4</SP>Wm<SP>-1</SP>k<SP>-2</SP>, and the method of manufacturing the thermoelectric material is constituted by including a process of heating plate-like particles of layered zinc hydroxide containing a metal element to be a dopant. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化物熱電材料とその製造方法に関する。   The present invention relates to an oxide thermoelectric material and a method for producing the same.

近年、従来の金属化合物系で問題となっていた高温耐久性・有毒性を解決する技術として、金属酸化物を用いた熱電変換素子が提案され、その研究が急速に進展している。通常熱電変換素子の特性は、単位温度差あたりの熱起電力であるゼーベック係数α(μV・K−1)、導電率σ(S・cm−1)、および熱伝導率κ(W・m−1・K−1)を用いたいくつかの特性因子によって表される。その一つとして、ασで表される熱電出力因子があり、さらに、熱電出力因子を熱伝導率で除した性能指数Z(=α2σ/κ)、そして、性能指数Zに絶対温度Tを乗じた無次元性能指数ZTが性能指標として用いられる。一般的に、これらの値が大きいほど熱電特性が優れていることになる。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, thermoelectric conversion elements using metal oxides have been proposed as a technique for solving the high temperature durability / toxicity which has been a problem in conventional metal compound systems, and the research is rapidly progressing. The characteristics of a normal thermoelectric conversion element are: Seebeck coefficient α (μV · K −1 ), which is a thermoelectromotive force per unit temperature difference, conductivity σ (S · cm −1 ), and thermal conductivity κ (W · m − It is represented by several characteristic factors using 1 · K −1 ). One of them is a thermoelectric output factor represented by α 2 σ, and a performance index Z (= α 2 σ / κ) obtained by dividing the thermoelectric output factor by thermal conductivity, and the performance index Z includes an absolute temperature. A dimensionless figure of merit ZT multiplied by T is used as a performance index. In general, the larger these values, the better the thermoelectric characteristics. 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 complete alignment 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。このRTGG法により作製されるAl3+をドープした酸化亜鉛配向体のLotgering法によるc軸配向度は、0.82〜0.86であり、高い結晶配向性を有することが示されている。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、ゼーベック係数の値は開示されていないものの、熱電変換性能の指標として開示されている800℃における熱電出力因子は3.0×10−4(W・m−1・K−1)と、低い値にとどまっている。さらに、製造方法として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. The degree of c-axis orientation by the Lottgering method of the Al 3+ doped zinc oxide oriented body produced by this RTGG method is 0.82 to 0.86, indicating that it has high crystal orientation. 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, although the value of the Seebeck coefficient is not disclosed, the thermoelectric output factor at 800 ° C. disclosed as an index of thermoelectric conversion performance is 3.0 × 10 −4 (W · m −1 · K −1 ), Remains 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)。この回転磁場印加法により作製されるAlをドープした酸化亜鉛配向体のLotgering法によるc軸配向度は、0.90以上であり、非常に高い結晶配向性を有する。しかしながら、この方法においても、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。また800℃における熱起電力であるゼーベック係数の絶対値は、190μV・K−1以下と低い値にとどまっている。従来のAl3+をドープしたZnO焼結体のゼーベック係数の絶対値は、非特許文献1にも記載されているように、常温から1000℃程度までの広い温度域で、概ね200μV・K−1以下であることが知られている。この低いゼーベック係数は、各種熱電特性(出力因子、性能指数、無次元性能指数)の低下とともに、単一素子あたりの起電力の低下を招くという課題がある。これらに加え、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、また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). The c-axis orientation degree by the lotgering method of the zinc oxide oriented body doped with Al produced by this rotating magnetic field application method is 0.90 or more, and has a very high crystal orientation. However, also in this method, similar to the above-described method for producing a molded body by the RTGG method, Al 2 O 3 particles are used as a raw material, and therefore, the solid solution of Al in ZnO crystals may occur unevenly. There is. The absolute value of the Seebeck coefficient, which is the thermoelectromotive force at 800 ° C., remains as low as 190 μV · K −1 or less. The absolute value of the Seebeck coefficient of the conventional ZnO sintered body doped with Al 3+ is approximately 200 μV · K −1 in a wide temperature range from room temperature to about 1000 ° C. as described in Non-Patent Document 1. It is known that: This low Seebeck coefficient has a problem that it causes a decrease in electromotive force per single element as well as a decrease in various thermoelectric characteristics (output factor, figure of merit, dimensionless figure of merit). In addition to these, there is a concern that the size of the bulk molded body that can be produced in order to use the rotating magnetic field device is limited, and a large-scale 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であり、かつ高い熱電変換特性を有する、結晶配向性の熱電材料と、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 aims to provide a crystal-oriented thermoelectric material that can be produced without requiring a complicated and expensive process and has high thermoelectric conversion characteristics, and a method for producing the same. To do.

本発明者らは、鋭意検討の結果、Lotgering法によるc軸配向度が0.6以上0.9未満である、結晶配向性の酸化亜鉛を主成分とする焼結体が、20℃以上1000℃以下における熱電出力因子が8.0×10−4 W・m−1・K−2以上という高い熱電変換能を示す材料であることを見出し、本発明に至った。 As a result of intensive studies, the inventors have found that a sintered body mainly composed of crystallographically oriented zinc oxide having a c-axis orientation degree of 0.6 or more and less than 0.9 by the Lottgering method is 20 ° C. or more and 1000 ° C. The present inventors have found that the thermoelectric output factor at a temperature equal to or lower than 0 ° C. is 8.0 × 10 −4 W · m −1 · K −2 or more and exhibits a high thermoelectric conversion ability, and have reached the present invention.

すなわち、本発明の熱電材料は、酸化亜鉛を主成分とする焼結体であって、Lotgering法によるc軸配向度が0.6以上0.9未満であり、20℃以上1000℃以下における熱電出力因子が8.0×10−4 W・m−1・K−2以上であることを特徴とする。 また、本発明の熱電材料の製造方法は、ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を加熱する工程を含んでなるものである。 That is, the thermoelectric material of the present invention is a sintered body mainly composed of zinc oxide, and has a c-axis orientation degree of 0.6 or more and less than 0.9 by the Lottgering method, and is a thermoelectric material at 20 ° C. or more and 1000 ° C. or less. The output factor is 8.0 × 10 −4 W · m −1 · K −2 or more. Moreover, the manufacturing method of the thermoelectric material of this invention comprises the process of heating the plate-like particle | grains of the layered zinc hydroxide salt containing the metal element used as a dopant.

本発明の結晶配向性熱電材料およびその製造方法は、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る。さらに本発明の熱電材料は、バルク成型体でありながら結晶異方性を有するため、高い導電性および熱電変換特性が発現できる。したがって、高効率な熱電変換素子への適用が可能となる。   The crystal-oriented thermoelectric material and the method for producing the same according to the present invention are excellent in productivity because they can be produced without requiring complicated and expensive processes. Furthermore, since the thermoelectric material of the present invention is a bulk molded body and has crystal anisotropy, it can exhibit high conductivity and thermoelectric conversion characteristics. Therefore, application to a highly efficient thermoelectric conversion element becomes possible.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の熱電材料は、酸化亜鉛を主成分とする焼結体であって、Lotgering法によるc軸配向度が0.6以上0.9未満であり、高いc軸配向性を示す。本発明の熱電材料においては、このような高いc軸配向度を持つことにより、材料両端に温度差をつけた場合、c軸に垂直な方向への異方的に高い導電性の発現が期待できる。   The thermoelectric material of the present invention is a sintered body containing zinc oxide as a main component, and has a c-axis orientation degree of 0.6 or more and less than 0.9 by the Lottgering method, and exhibits high c-axis orientation. In the thermoelectric material of the present invention, by having such a high degree of c-axis orientation, when a temperature difference is given to both ends of the material, an anisotropic high conductivity is expected in a direction perpendicular to the c-axis. it can.

ここで、本発明における焼結体の結晶配向性は、X線回折測定装置(例えば、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。本発明においては、Lotgering法によるc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 ( 0 0 l ) 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 ( 0 0 l ) / 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 ( 0 0 l ) / 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。
Here, the crystal orientation of the sintered body in the present invention is determined by an X-ray diffraction measurement apparatus (for example, “Xpert Pro” manufactured by Panalical, X-ray source: CuKα, wavelength: 1.54 angstrom, applied voltage: 45 kV). You can investigate. 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. In the present invention, the degree of c-axis orientation by the Lottgering method is to obtain I (h k l) peak intensities obtained by X-ray diffraction, and the ratio of I (0 0 l) to the sum of these peak intensities. 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 (0 0 l) / ΣI (h k l) and obtained from the oriented sample. P 0 is represented by P 0 = ΣI 0 (0 0 l) / ΣI 0 (h k l), and is a peak intensity obtained from an unoriented sample.

また本発明の熱電材料は、20℃以上1000℃以下における熱電出力因子が8.0×10−4 W・m−1・K−2以上である。このような優れた熱電特性は、前述の高いc軸配向性と焼結体中でのAl3+の均一な固溶により、導電性とゼーベック係数を高い水準で両立して発揮することが可能であり、高い熱電出力因子を低温の20℃以上から高温の1000℃以下まで維持することが可能となる。これにより、広い温度域において、安定にして熱電発電素子として機能することが可能となり、特に酸化物熱電素子に期待されている500℃以上の1000℃以下の中高温度域における安定な熱電発電が期待できる。 The thermoelectric material of the present invention has a thermoelectric output factor of 8.0 × 10 −4 W · m −1 · K −2 or more at 20 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Such excellent thermoelectric properties can exhibit both high conductivity and Seebeck coefficient at a high level by the above-mentioned high c-axis orientation and uniform solid solution of Al 3+ in the sintered body. Yes, a high thermoelectric power factor can be maintained from a low temperature of 20 ° C. or higher to a high temperature of 1000 ° C. or lower. This makes it possible to function stably as a thermoelectric power generation element in a wide temperature range, and in particular, stable thermoelectric power generation is expected in a medium to high temperature range of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, which is expected for oxide thermoelectric elements. it can.

さらに、本発明の熱電材料は、100℃以上1000℃以下の広い温度域で、200μV・K−1以上という高いゼーベック係数を発揮する。前述の背景技術にも記載したように、従来のAl3+をドープしたZnO焼結体のゼーベック係数の絶対値は、非特許文献1にも記載されているように、常温から1000℃程度までの広い温度域で、概ね200μV・K−1以下であることが知られている。従来の本発明の熱電材料における高いゼーベック係数を発揮する原因は現状では不明であるが、高いc軸結晶配向性やAl3+の均一な固溶が原因として考えられる。この高いゼーベック係数は、モジュール化する際の素子としての出力電圧増加に寄与し、例えば本発明の熱電材料を用いた素子一つに、500℃の温度差をつけた場合、0.1V以上の起電力を発生することが可能となる。 Furthermore, the thermoelectric material of the present invention exhibits a high Seebeck coefficient of 200 μV · K −1 or more in a wide temperature range of 100 ° C. or more and 1000 ° C. or less. As described in the background art described above, the absolute value of the Seebeck coefficient of a conventional ZnO sintered body doped with Al 3+ is from room temperature to about 1000 ° C. as described in Non-Patent Document 1. It is known that it is approximately 200 μV · K −1 or less in a wide temperature range. The cause of the high Seebeck coefficient in the conventional thermoelectric material of the present invention is unknown at present, but is considered to be due to high c-axis crystal orientation and uniform solid solution of Al 3+ . This high Seebeck coefficient contributes to an increase in output voltage as an element when modularized. For example, when a temperature difference of 500 ° C. is applied to one element using the thermoelectric material of the present invention, it is 0.1 V or more. An electromotive force can be generated.

また本発明の熱電材料の相対密度は、85%以上95%以下である。通常、この範囲での相対密度では、焼結体中における導電経路の減少により導電率の低下が懸念されるが、本発明の熱電材料では、高いc軸配向性とAl3+の均一な固溶によって、c軸に垂直な方位への高い導電性が発揮されることで、この導電率の著しい低下を抑制し、高いゼーベック係数を発揮することで優れた熱電物性の発現が可能となると考えられる。 The relative density of the thermoelectric material of the present invention is 85% or more and 95% or less. Usually, with relative density in this range, there is a concern about the decrease in conductivity due to the decrease in the conductive path in the sintered body. However, in the thermoelectric material of the present invention, high c-axis orientation and uniform solid solution of Al 3+ By exhibiting high conductivity in the direction perpendicular to the c-axis, it is considered that the remarkable decrease in conductivity is suppressed, and that excellent thermoelectric properties can be expressed by exhibiting a high Seebeck coefficient. .

本発明におけるドーパント元素とは、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、B、Al、Ga、In、Fe、Co、Y、Sc、V、Eu、Si、Ge、Ti、Zr、Hfから選ばれる少なくとも一種である。さらに好ましくは、3価の金属イオンであるB、Al、Ga、Inから選ばれる少なくとも一種である。これらのドーパント元素は、亜鉛よりも多くの価電子(3もしくは4つ)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。(「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)   The dopant element in the present invention is a metal element whose conductivity is improved by substituting Zn element existing in the crystal lattice of zinc oxide, and preferably B, Al, Ga, In, Fe, Co , Y, Sc, V, Eu, Si, Ge, Ti, Zr, and Hf. More preferably, it is at least one selected from B, Al, Ga and In which are trivalent metal ions. Since these dopant elements have more valence electrons (3 or 4) than zinc, they dissolve in zinc sites in zinc oxide to generate free electrons serving 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 stably dissolved in the crystal of zinc oxide without causing distortion in the crystal structure. ("New development of transparent conductive film II", 31-40 pages, October 2002, CMC Publishing)

本発明において、より好ましい金属元素はAlである。Al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。   In the present invention, a more preferable metal element is Al. Since Al 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.

本発明における酸化亜鉛焼結体に含まれる亜鉛に対するドーパント元素のモル比率は、0.001以上0.2以下であることが好ましい。ここで、ドーパント元素のモル比率とは、酸化亜鉛焼結体に含まれるZnのモル量に対するドーパント元素のモル量の比率のことである。このような比率でドーパントが含有されることにより、キャリアとなる自由電子が増加することで、酸化亜鉛焼結体は高い導電性が実現できる。   The molar ratio of the dopant element to zinc contained in the zinc oxide sintered body in the present invention is preferably 0.001 or more and 0.2 or less. Here, the molar ratio of the dopant element is the ratio of the molar amount of the dopant element to the molar amount of Zn contained in the zinc oxide sintered body. When the dopant is contained at such a ratio, the zinc oxide sintered body can realize high conductivity by increasing free electrons serving as carriers.

以下に、本発明の熱電材料の製造方法に関して記載する。   Below, it describes regarding the manufacturing method of the thermoelectric material of this invention.

本発明の熱電材料は、ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を原料として用いて作製される。ここで、本発明における層状水酸化亜鉛塩とは、主成分として結晶層中にZn2+を含むブルーサイト構造を基本構造とする層状金属水酸化物塩である。このようなブルーサイト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、層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide)、層状金属水酸化物(Layered Metal Hydroxide、)、もしくは複水酸化物塩(Hydroxy Double salt)とも呼ばれる。
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 thermoelectric material of the present invention is produced using plate-like particles of layered zinc hydroxide salt containing a metal element as a dopant as a raw material. Here, the layered zinc hydroxide salt in the present invention is a layered metal hydroxide salt whose basic structure is a brucite structure containing Zn 2+ in the crystal layer as a main component. A layered metal hydroxide salt having such a brucite structure as a basic structure is classified into a layered double hydroxide and a layered metal hydroxide (depending on the type and number of metal ions contained in the crystal layer). Also referred to as Layered Metal Hydroxide, or Double Hydroxide Salt (Hydroxy Double Salt).
Organic anions such as ions and inorganic anions such as nitrate ions are preferred.

本発明において用いられる層状水酸化亜鉛塩は、亜鉛に対する、ドーパント元素のモル比率が0.001以上0.2以下であることが好ましい。ここで、ドーパントとなる金属元素のモル比率とは、層状金属水酸化物に含まれるZnのモル量に対するドーパントとなる金属元素のモル量の比率のことである。このような比率でドーパントが層状水酸化亜鉛塩に含有することにより、加熱後の酸化亜鉛焼結体は高い導電性が実現できる。なお、前記金属/亜鉛の比率は、加熱後の酸化亜鉛焼結体においても概ね同じモル比率を維持する。   In the layered zinc hydroxide salt used in the present invention, the molar ratio of the dopant element to zinc is preferably 0.001 or more and 0.2 or less. Here, the molar ratio of the metal element serving as the dopant is the ratio of the molar amount of the metal element serving as the dopant to the molar amount of Zn contained in the layered metal hydroxide. When the dopant is contained in the layered zinc hydroxide salt in such a ratio, the zinc oxide sintered body after heating can realize high conductivity. In addition, the said metal / zinc ratio maintains the substantially same molar ratio also in the zinc oxide sintered compact after a heating.

層状水酸化亜鉛塩に含まれるドーパントの存在状態としては、層状水酸化亜鉛塩のブルーサイトシート内のZn2+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。 The existence state of the dopant contained in the layered zinc hydroxide salt is a state in which it is intruded between the lattices even if it is substituted and dissolved at the Zn 2+ site in the brucite sheet of the layered zinc hydroxide salt It may be.

本発明にあっては、ドーパント元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子は、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 plate-like particles of the layered zinc hydroxide salt containing the dopant element can be produced, for example, by a wet process using a hydrolysis reaction of the raw material metal salt in an aqueous solution. Methods such as a hydrothermal synthesis method and a uniform precipitation method can be suitably used.

本発明において用いられる層状水酸化亜鉛塩は、前述の通りブルーサイト構造を基本構造とする。ブルーサイト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 zinc hydroxide salt used in the present invention has a brucite structure as a basic structure as described above. Since the brucite layer 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水酸化亜鉛塩は、その板状粒子の平均板面径が100nm以上30000nm以下であり、平均板厚が10nm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水酸化亜鉛塩の板状粒子の(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 zinc hydroxide salt used in the present invention has an average plate surface diameter of 100 nm or more and 30000 nm or less, and an average plate thickness of 10 nm or more and 1000 nm or less. The average aspect ratio represented by (average plate surface diameter / average plate thickness) of the plate-like particles of the layered zinc hydroxide salt used in the present invention is 10 or more and 1000 or less.

層状水酸化亜鉛塩の平均板面径、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 zinc hydroxide salt are outside the above ranges, the orientation of the plate-like particles by the molding process becomes insufficient, and the molded body has 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、ドーパント元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を成型する工程を含む。成型体は、層浄水酸化亜鉛塩の板状形状に由来して、層状水酸化亜鉛層を構成する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。さらに、このc軸配向した層状水酸化亜鉛塩成型体を加熱することにより多結晶性の酸化亜鉛焼結体が得られる。この酸化亜鉛焼結体は、酸化亜鉛のウルツ鉱型構造のc軸に配向している。また本発明においては、層状水酸化亜鉛塩の原料粉末を仮焼して酸化亜鉛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、c軸配向した酸化亜鉛焼結体を得ることが可能である。この場合、仮焼温度としては、酸化亜鉛への相転移が起こる温度であれば良いので、300〜1500℃が好ましい。このように、本発明においては、層状水酸化亜鉛塩を焼成することによりトポタクティックに結晶構造変化が起こることにより、結晶配向性ZnOへの相転移が起こることが重要となる。   In another aspect of the present invention, the method includes a step of molding plate-like particles of a layered zinc hydroxide salt containing a dopant element. The molded body is derived from the plate-like shape of the layer-purified zinc hydroxide salt, and has crystal orientation preferentially oriented in an orientation (c axis) perpendicular to the sheet constituting the layered zinc hydroxide layer. Furthermore, a polycrystalline zinc oxide sintered body can be obtained by heating the c-axis oriented layered zinc hydroxide salt molded body. This zinc oxide sintered body is oriented along the c-axis of the wurtzite structure of zinc oxide. Also, in the present invention, a layered zinc hydroxide salt raw material powder is calcined and phase-transformed into zinc oxide, and then a molded body is produced and heat-treated to obtain a c-axis oriented zinc oxide sintered body. It is possible to obtain. In this case, the calcining temperature is preferably 300 to 1500 ° C., as long as it is a temperature at which phase transition to zinc oxide occurs. As described above, in the present invention, it is important that a phase transition to crystal orientation ZnO occurs due to a change in crystal structure in a topotactic manner by firing the layered zinc hydroxide salt.

本発明において用いられる層状水酸化亜鉛塩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。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を有する酸化亜鉛焼結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。   As a method for producing a layered zinc hydroxide salt or a calcined body molded body used in the present invention, either a dry molding method or 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. Examples of the wet molding method include an injection molding method, a cast molding method, an extrusion molding method, a pressure molding method, and a centrifugal molding method. In the present invention, in order to produce a zinc oxide sintered body having crystal orientation at low cost, it is the simplest method, and a uniaxial press molding method capable of mass production can be used more suitably. . 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、酸化亜鉛焼結体を製造するための加熱温度は、ZnOが焼結し、さらにドーパントがZnO結晶格子中に固溶する温度であれば良く、1000℃以上1500℃以下が好ましい。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 this invention, the heating temperature for manufacturing a zinc oxide sintered compact should just be a temperature which ZnO sinters and a dopant is solid-solved in a ZnO crystal lattice, and 1000 to 1500 degreeC is preferable. 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.

以上のように説明した酸化亜鉛焼結体を熱電材料として熱電変換素子に用いた場合、その高導電性の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(α)の測定が可能となり、これにより熱電出力因子(ασ)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(=ασ/κ)を求めることができる。 When the zinc oxide sintered body described above is used as a thermoelectric material for a thermoelectric conversion element, it exhibits excellent thermoelectric conversion characteristics because it has a feature in which a plane parallel to the highly conductive c-plane is aligned. be able to. 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 (α) can be measured, and thereby the thermoelectric output factor (α 2 σ) 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. From the above measurement, ZT (= α 2 σ / κ) can be obtained from the conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity in various temperature ranges.

(実施例1)
ドーパント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。さらに、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
Layered hydroxide zinc salt containing manufacturing dopant layered hydroxide zinc salt containing 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 it is 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 collected 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. Furthermore, the obtained white gel was subjected to suction filtration, washed with 100 ml of ethanol, and then 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。またアルキメデス法により、ZnO−Al2%焼結体の相対密度を算出した結果、94%であった。   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. Moreover, as a result of calculating the relative density of a ZnO-Al2% sintered compact by the Archimedes method, it was 94%.

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、ゼーベック係数および出力因子のデータを図2に示す。   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). Data of conductivity, Seebeck coefficient and output factor at each temperature are shown in FIG.

導電率は、20℃以上1000℃以下の全温度域で100S・cm−1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の絶対値は、100℃以上1000℃以下の温度域で、200μV・K−1以上である。また熱電出力因子は、20℃以上1000℃以下の全温度域で8.0×10−4 W・m−1・K−2以上という非常に高い値を示し、この材料が優れた熱電変換特性を有することが分かる。 The conductivity is 100 S · cm −1 or more in the entire temperature range of 20 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Further, the conductivity tends to decrease slightly as the temperature rises, and the ZnO—Al 2% sintered body is metallic. Since it shows electron conduction, it shows that Al 3+ is solid-solved in the ZnO crystal as a dopant. The absolute value of the Seebeck coefficient is 200 μV · K −1 or more in a temperature range of 100 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Moreover, the thermoelectric output factor shows a very high value of 8.0 × 10 −4 W · m −1 · K −2 or more in the whole temperature range of 20 ° C. or more and 1000 ° C. or less. It can be seen that

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、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. The ZT at 1000 ° C. was 0.35, indicating high thermoelectric properties.

実施例におけるAl3+を含む層状水酸化亜鉛酢酸塩のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the layered zinc hydroxide acetate containing Al3 + in an Example. 実施例におけるZnO−Al2%焼結体の熱電物性を示す図である。It is a figure which shows the thermoelectric property of the ZnO-Al2% sintered compact in an Example. 実施例における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 an Example.

Claims (8)

酸化亜鉛を主成分とする焼結体であって、Lotgering法によるc軸配向度が0.6以上0.9未満であり、20℃以上1000℃以下における熱電出力因子が8.0×10−4 W・m−1・K−2以上であることを特徴とする熱電材料。 A sintered body containing zinc oxide as a main component, having a c-axis orientation degree of 0.6 or more and less than 0.9 by the Lottgering method, and a thermoelectric power factor at 20 ° C. or more and 1000 ° C. or less of 8.0 × 10 Thermoelectric material characterized by being 4 W · m −1 · K −2 or more. 前記熱電材料の100℃以上1000℃以下におけるゼーベック係数の絶対値が、200μV・K−1以上であることを特徴とする、請求項1記載の熱電材料。 2. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the absolute value of the Seebeck coefficient at 100 ° C. to 1000 ° C. of the thermoelectric material is 200 μV · K −1 or more. 前記熱電材料の相対密度が、85%以上95%以下であることを特徴とする、請求項1または2記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1 or 2, wherein the relative density of the thermoelectric material is 85% or more and 95% or less. 前記熱電材料が、ドーパント元素の固溶によりキャリアドープされた酸化亜鉛焼結体であることを特徴とする、請求項1〜3に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermoelectric material is a zinc oxide sintered body that is carrier-doped by solid solution of a dopant element. 前記ドーパント元素が、B、Al、Ga、Inから選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項1〜4に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1, wherein the dopant element is at least one selected from B, Al, Ga, and In. 前記酸化亜鉛焼結体に含まれる3価の金属元素の、亜鉛に対するモル比率が0.001以上0.2以下である、請求項1〜5に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to claim 1, wherein a molar ratio of a trivalent metal element contained in the zinc oxide sintered body to zinc is 0.001 or more and 0.2 or less. ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を加熱する工程を含んでなる、請求項1〜6に記載の熱電材料の製造方法。   The manufacturing method of the thermoelectric material of Claims 1-6 which comprises the process of heating the plate-like particle | grains of the layered zinc hydroxide salt containing the metal element used as a dopant. 前記板状粒子を成型する工程と、1000℃以上1500℃以下で加熱する工程と、を含んでなる、請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 7 which comprises the process of shape | molding the said plate-shaped particle | grain, and the process of heating at 1000 degreeC or more and 1500 degrees C or less.
JP2008249758A 2008-09-29 2008-09-29 Thermoelectric material, and method of manufacturing the same Pending JP2010080828A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008249758A JP2010080828A (en) 2008-09-29 2008-09-29 Thermoelectric material, and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008249758A JP2010080828A (en) 2008-09-29 2008-09-29 Thermoelectric material, and method of manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010080828A true JP2010080828A (en) 2010-04-08

Family

ID=42210897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008249758A Pending JP2010080828A (en) 2008-09-29 2008-09-29 Thermoelectric material, and method of manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010080828A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010114172A1 (en) * 2009-03-31 2010-10-07 Toto株式会社 Composite material having thin doped layers and process for producing same
JP2012033917A (en) * 2010-07-07 2012-02-16 Toto Ltd Composite material and method of producing the same
WO2016035721A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 日本碍子株式会社 Zinc oxide sintered body and method for producing same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010114172A1 (en) * 2009-03-31 2010-10-07 Toto株式会社 Composite material having thin doped layers and process for producing same
JP5660031B2 (en) * 2009-03-31 2015-01-28 Toto株式会社 COMPOSITE MATERIAL HAVING DOPED THIN LAYER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
JP2012033917A (en) * 2010-07-07 2012-02-16 Toto Ltd Composite material and method of producing the same
WO2016035721A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 日本碍子株式会社 Zinc oxide sintered body and method for producing same
US10717679B2 (en) 2014-09-04 2020-07-21 Ngk Insulators, Ltd. Zinc oxide sintered body and method for producing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5660031B2 (en) COMPOSITE MATERIAL HAVING DOPED THIN LAYER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
KR20120084708A (en) Thermoelectric composite material and method of producing the same
JP2008074693A (en) Anisotropically shaped powder, method for producing the same, and method for producing crystal oriented ceramics
Cha et al. High-temperature thermoelectric properties of Sm3+-doped Ca3Co4O9+ δ fabricated by spark plasma sintering
Prevel et al. Thermoelectric properties of sintered and textured Nd-substituted Ca3Co4O9 ceramics
JP2010080828A (en) Thermoelectric material, and method of manufacturing the same
JP3493654B2 (en) Thermoelectric element material and its manufacturing method, and Co3O4 plate crystal and its manufacturing method
JP2010030855A (en) Crystal-oriented structure and method for manufacturing the same
JP3467542B2 (en) Transition metal solid solution type conductive niobate and its production method
JP5168726B2 (en) Thermoelectric material and manufacturing method thereof
JP5673794B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
JP4592209B2 (en) Method for producing crystal-oriented bulk ZnO-based sintered material and thermoelectric conversion device produced thereby
JP4608940B2 (en) Thermoelectric material
JP4013245B2 (en) CRYSTAL-ORIENTED CERAMIC AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, PLATE POWDER FOR PRODUCTION OF CRYSTAL-ORIENTED CERAMIC, AND THERMOELECTRIC CONV
JP4595236B2 (en) Thermoelectric material manufacturing method
JP5423708B2 (en) Method for producing anisotropic shaped powder
JP2004134454A (en) Thermoelectric conversion material and its manufacturing method
Sotelo et al. Effect of precursors on the microstructure and electrical properties of Bi 2 Ba 2 Co 2 O x
RU2681860C1 (en) Method of obtaining high-temperature thermoelectric material based on calcium cobaltite
Katsuyama et al. Synthesis of Ca3Co4O9 ceramics by citric acid complex and hydrothermal hot-pressing processes and investigation of its thermoelectric properties
JP4158389B2 (en) Highly oriented polycrystalline ceramics, method for producing the same, and thermoelectric conversion element
JP4214757B2 (en) Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
JP5119573B2 (en) Method for producing anisotropic shaped powder
JP4844043B2 (en) Thermoelectric conversion material and method for producing the same
Li et al. Enhancing the electrical properties of high-Curie temperature BNT–PZT piezoceramics by oxides-hydrothermal method