JP2011054850A - Thermoelectric material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric characteristics in the temperature range of 100 to 600 K, and additionaly, has high-level environmental harmoniousness, and is low-cost, and to provide a manufacturing method for the material. <P>SOLUTION: Presented herein are a thermoelectric material which has an orthorhombic TiSi<SB>2</SB>type structure and contains an MnAlSi-system compound expressed by the formula (1) and a manufacturing method thereof: (Mn<SB>1-x</SB>A<SB>x</SB>)(Al<SB>1-y</SB>Si<SB>y</SB>)<SB>2(t-z)</SB>B<SB>2z</SB>(1) where 0≤x≤0.2, 0.45≤y≤0.55, 0≤z≤0.1, 0.94≤t≤1.06, and A and B are metallic elements of one or two kinds or more, respectively (excluding alkali metals and alkaline-earth metals). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱電材料及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、MnAlSi系化合物を主成分とする熱電材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric material and a manufacturing method thereof, and more particularly to a thermoelectric material mainly composed of a MnAlSi compound and a manufacturing method thereof.

熱電変換とは、ゼーベック効果やペルチェ効果を利用して、電気エネルギーを冷却や加熱のための熱エネルギーに、また逆に熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することをいう。熱電変換は、
(1)エネルギー変換の際に余分な老廃物を排出しない、
(2)排熱の有効利用が可能である、
(3)材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる、
(4)モータやタービンのような可動装置が不要であり、メンテナンスの必要がない、
等の特徴を有していることから、エネルギーの高効率利用技術として注目されている。
Thermoelectric conversion refers to the direct conversion of electrical energy into thermal energy for cooling and heating, and conversely, thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect and Peltier effect. Thermoelectric conversion
(1) Do not discharge excess waste during energy conversion,
(2) Effective use of exhaust heat is possible.
(3) It can continuously generate power until the material deteriorates.
(4) No moving devices such as motors and turbines are required and maintenance is not required.
Therefore, it has been attracting attention as a highly efficient energy utilization technology.

熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換できる材料、すなわち、熱電材料の特性を評価する指標としては、一般に、性能指数Z(=S2σ/κ、但し、S:ゼーベック係数、σ:電気伝導度、κ:熱伝導度)、又は、性能指数Zと、その値を示す絶対温度Tの積として表される無次元性能指数ZTが用いられる。また、熱電材料の特性を評価する指標として、出力因子PF(=S2σ)が用いられることもある。
ゼーベック係数は、1Kの温度差によって生じる起電力の大きさを表す。熱電材料は、それぞれ固有のゼーベック係数を持っており、ゼーベック係数が正であるもの(p型)と、負であるもの(n型)に大別される。
As an index for evaluating the characteristics of a material capable of mutually converting thermal energy and electrical energy, ie, thermoelectric material, generally, a figure of merit Z (= S 2 σ / κ, where S: Seebeck coefficient, σ: electric conduction Degree, κ: thermal conductivity), or a dimensionless figure of merit ZT expressed as a product of the figure of merit Z and the absolute temperature T indicating the value. Further, the output factor PF (= S 2 σ) may be used as an index for evaluating the characteristics of the thermoelectric material.
The Seebeck coefficient represents the magnitude of electromotive force generated by a temperature difference of 1K. Thermoelectric materials each have their own Seebeck coefficient, and are broadly classified into those having a positive Seebeck coefficient (p-type) and those having a negative Seebeck coefficient (n-type).

また、熱電材料は、通常、p型の熱電材料とn型の熱電材料とを接合した状態で使用される。このような接合対は、一般に、「熱電素子」と呼ばれている。熱電素子の性能指数は、p型熱電材料の性能指数Z、n型熱電材料の性能指数Z、並びに、p型及びn型熱電材料の形状に依存し、また、形状が最適化されている場合には、Z及び/又はZが大きくなるほど、熱電素子の性能指数が大きくなることが知られている。従って、性能指数の高い熱電素子を得るためには、性能指数Z、Zの高い熱電材料を用いることが重要である。 The thermoelectric material is usually used in a state where a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are joined. Such a junction pair is generally called a “thermoelectric element”. The performance index of the thermoelectric element depends on the performance index Z p of the p- type thermoelectric material, the performance index Z n of the n-type thermoelectric material, and the shape of the p-type and n-type thermoelectric materials, and the shape is optimized If you are the greater the Z p and / or Z n, the figure of merit of the thermoelectric element increases is known. Therefore, in order to obtain a high figure of merit thermoelectric device, the figure of merit Z p, be used with high Z n thermoelectric material is important.

熱電材料の中でも、Bi2Te3系熱電材料は、100〜600Kの温度領域で高い無次元性能指数ZTを示すことが知られている。しかしながら、Bi2Te3系熱電材料は、Teが希少元素かつ環境負荷の大きい元素であるため、高コストであり、かつ、環境調和性が低いという問題がある。そのため、熱電特性が高く、しかも、希少元素及び環境負荷元素を含まない熱電材料が望まれている。 Among thermoelectric materials, Bi 2 Te 3 series thermoelectric materials are known to exhibit a high dimensionless figure of merit ZT in the temperature range of 100 to 600K. However, the Bi 2 Te 3 series thermoelectric material has a problem that Te is a rare element and an element having a large environmental load, so that the cost is high and the environmental harmony is low. Therefore, a thermoelectric material having high thermoelectric characteristics and not containing a rare element and an environmental load element is desired.

100〜600Kの温度領域において高い熱電特性を示す材料については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献1には、TiSi2型構造を有するRuAl2からなる熱電材料が開示されている。
同文献には、RuAl2は、室温近傍で2mW/mK2の出力因子と、20W/mKの熱伝導度を示す点が記載されている。
Various proposals have been made for materials exhibiting high thermoelectric characteristics in the temperature range of 100 to 600K.
For example, Non-Patent Document 1 discloses a thermoelectric material made of RuAl 2 having a TiSi 2 type structure.
This document describes that RuAl 2 exhibits an output factor of 2 mW / mK 2 and a thermal conductivity of 20 W / mK near room temperature.

また、非特許文献2では、熱電材料ではないが、Al−Mn−Si系三元合金の550℃又は700℃における組織が全組成範囲に渡って調べられている。
同文献には、
(1)Al−Mn−Si系三元合金には、10種類の安定な三元相(τ1〜τ10)が存在する点、及び、
(2)τ3は、Al34Mn34Si32組成を有し、TiSi2型結晶構造を持つ点、
が記載されている。
In Non-Patent Document 2, although not a thermoelectric material, the structure of an Al—Mn—Si ternary alloy at 550 ° C. or 700 ° C. is examined over the entire composition range.
In the same document,
(1) Al-Mn-Si ternary alloy has 10 kinds of stable ternary phases (τ 1 to τ 10 ), and
(2) τ 3 has an Al 34 Mn 34 Si 32 composition and has a TiSi 2 type crystal structure,
Is described.

また、特許文献1には、Al74Mn20Si6、Al72Mn20Si8、Al55Mn25Si20、又は、Al53Mn20Si27の準結晶からなる熱電材料が開示されている。
同文献には、これらの材料のゼーベック係数αは70〜72(μV/K)であり、熱伝導度κは1.1〜1.3(W/mK)であり、性能指数Zは1.9〜2.5×10-3(1/K)である点が記載されている。
Patent Document 1 discloses a thermoelectric material made of a quasicrystal of Al 74 Mn 20 Si 6 , Al 72 Mn 20 Si 8 , Al 55 Mn 25 Si 20 , or Al 53 Mn 20 Si 27 .
In this document, the Seebeck coefficient α of these materials is 70 to 72 (μV / K), the thermal conductivity κ is 1.1 to 1.3 (W / mK), and the figure of merit Z is 1. The point which is 9-2.5 * 10 < -3 > (1 / K) is described.

さらに、特許文献2には、Al74Mn20Si6、Al72Mn20Si8、Al55Mn25Si20、又は、Al53Mn20Si27の準結晶と、Alとの複合体からなる熱電材料が開示されている。
同文献には、3〜39重量%のAlとこれらの準結晶との複合体の室温におけるゼーベック係数の絶対値|α|は4〜70(μV/K)であり、室温における比抵抗ρは0.05〜0.8(μΩm)であり、室温における性能指数Zは0.01〜3.1×10-3(1/K)である点が記載されている。
Further, Patent Document 2 discloses a thermoelectric device comprising a composite of Al 74 Mn 20 Si 6 , Al 72 Mn 20 Si 8 , Al 55 Mn 25 Si 20 , or Al 53 Mn 20 Si 27 and a composite of Al. A material is disclosed.
In the same document, the absolute value | α | of the Seebeck coefficient at room temperature of a composite of 3 to 39% by weight of Al and these quasicrystals is 4 to 70 (μV / K), and the specific resistance ρ at room temperature is It is 0.05 to 0.8 (μΩm), and the performance index Z at room temperature is 0.01 to 3.1 × 10 −3 (1 / K).

特開平8−181357号公報JP-A-8-181357 特開平8−178758号公報JP-A-8-178758

牟田 浩明、日本熱電学会誌、Vol.5、No.3、13(2009)Hiroaki Hamada, Journal of the Thermoelectric Society of Japan, Vol.5, No.3, 13 (2009) N.Krdelsberger et al., Metall.Mater. Trans. 33A, 3311(2002)N. Krdelsberger et al., Metall. Mater. Trans. 33A, 3311 (2002)

RuAl2は、環境負荷元素元素を含まず、しかも、室温近傍において比較的高い出力因子を示す。しかしながら、RuAl2は、Ruが高価であるため、実用化が困難である。また、熱伝導度が大きいため、実用的な性能指数Zは得られていない。
また、AlリッチのAl−Mn−Si系化合物及びこれとAlとの複合体は、いずれも熱電特性が低い。
RuAl 2 does not contain an environmental load element and exhibits a relatively high output factor near room temperature. However, RuAl 2 is difficult to put into practical use because Ru is expensive. Moreover, since the thermal conductivity is large, a practical figure of merit Z is not obtained.
In addition, the Al-rich Al—Mn—Si compound and the composite of Al and Mn—Si have low thermoelectric properties.

本発明が解決しようとする課題は、100K〜600Kの温度領域において相対的に高い熱電特性を示し、しかも、環境調和性が高く、かつ、低コストな熱電材料及びその製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric characteristics in a temperature range of 100 K to 600 K, has high environmental harmony, and is low in cost, and a method for manufacturing the thermoelectric material. is there.

上記課題を解決するために本発明に係る熱電材料は、斜方晶TiSi2型構造を有し、(1)式で表されるMnAlSi系化合物を含むことを要旨とする。
(Mn1-xx)(Al1-ySiy)2(t-z)2z ・・・(1)
但し、
0≦x≦0.2、0.45≦y≦0.55、0≦z≦0.1、
0.94≦t≦1.06、
A、Bは、それぞれ、1種又は2種以上の金属元素(但し、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を除く)。
In order to solve the above problems, a thermoelectric material according to the present invention has an orthorhombic TiSi 2 type structure and includes a MnAlSi compound represented by the formula (1).
(Mn 1-x A x ) (Al 1-y Si y ) 2 (tz) B 2z (1)
However,
0 ≦ x ≦ 0.2, 0.45 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.1,
0.94 ≦ t ≦ 1.06,
A and B are each one or more metal elements (excluding alkali metals and alkaline earth metals).

本発明に係る熱電材料の製造方法の1番目は、
本発明に係るMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解し、鋳造する溶解鋳造工程と、
前記溶解鋳造工程で得られた鋳塊を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加熱し、前記斜方晶TiSi2型構造を有する前記MnAlSi系化合物を生成させるアニール工程と
を備えている。
The first of the methods for producing a thermoelectric material according to the present invention is:
A melting and casting process for melting and casting the raw materials blended so as to be the MnAlSi-based compound according to the present invention;
The ingot obtained in the melting and casting process is heated at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in a vacuum atmosphere or an inert gas to generate the MnAlSi compound having the orthorhombic TiSi 2 type structure. And an annealing step.

さらに、本発明に係る熱電材料の製造方法の2番目は、
本発明に係るMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解することにより得られる溶湯を急冷凝固させる急冷工程と、
前記急冷工程で得られた急冷凝固物の粉末を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加圧焼結し、前記斜方晶TiSi2型構造を有する前記MnAlSi系化合物を含む焼結体を得る焼結工程と
を備えている。
Furthermore, the second method for producing a thermoelectric material according to the present invention is as follows.
A rapid cooling step of rapidly solidifying a molten metal obtained by dissolving a raw material blended to be a MnAlSi-based compound according to the present invention;
The MnAlSi having the orthorhombic TiSi 2 type structure is obtained by pressure-sintering the rapidly solidified powder obtained in the quenching step at a temperature of 500 ° C. to 1000 ° C. in a vacuum atmosphere or an inert gas. And a sintering step of obtaining a sintered body containing a system compound.

高性能な熱電材料を実現するためには、大きなゼーベック係数Sと高い電気伝導度σを両立する必要がある。どちらもフェルミ面近傍の電子状態に大きく依存しており、前者は状態密度のエネルギー依存性が大きいこと、後者はバンド幅が大きいこと、がそれぞれ必要条件となる。Mn:Al:Si原子比がほぼ1:1:1であるMnAlSi系化合物は、これら2つの要素を兼ね備えた電子状態を有する。すなわち、Mnのd軌道と、Al、Siのp軌道がフェルミ面近傍で共存しており、d電子による大きな状態密度の変化とp軌道による大きなバンド幅が両立している。このような電子状態の特性より、高性能な熱電特性が実現されていると考えられる。
また、各種ドーピングにより、PF=σS2が最大となるように、フェルミ面の位置を最適化することができる。さらに、質量の異なる元素置換により、熱伝導度κが低減し、性能指数Z=PF/κが向上する。
In order to realize a high-performance thermoelectric material, it is necessary to achieve both a large Seebeck coefficient S and a high electrical conductivity σ. Both of them depend greatly on the electronic state in the vicinity of the Fermi surface. The former requires a large energy dependency of the density of states, and the latter requires a large bandwidth. An MnAlSi compound having an Mn: Al: Si atomic ratio of approximately 1: 1: 1 has an electronic state that combines these two elements. That is, the d orbitals of Mn and the p orbitals of Al and Si coexist in the vicinity of the Fermi surface, and a large change in state density due to d electrons and a large bandwidth due to p orbitals are compatible. It is considered that high-performance thermoelectric characteristics are realized from the characteristics of the electronic state.
Moreover, the position of the Fermi surface can be optimized so that PF = σS 2 is maximized by various dopings. Furthermore, by replacing the elements with different masses, the thermal conductivity κ is reduced and the figure of merit Z = PF / κ is improved.

試料No.1〜3、及び、AのX線回折パターンである。Sample No. 1 to 3 and A X-ray diffraction patterns. 試料No.4〜6、及び、BのX線回折パターンである。Sample No. 4 is an X-ray diffraction pattern of 4 to 6 and B. 試料Aのゼーベック係数S(図3(A))、比抵抗ρ(図3(B))、及び、熱伝導度κ(図3(C))の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of Seebeck coefficient S (FIG. 3 (A)) of the sample A, specific resistance (rho) (FIG. 3 (B)), and thermal conductivity (kappa) (FIG. 3 (C)). 試料Bのゼーベック係数S(図4(A))、比抵抗ρ(図4(B))、及び、熱伝導度κ(図4(C))の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of Seebeck coefficient S (FIG. 4 (A)) of the sample B, specific resistance (rho) (FIG. 4 (B)), and thermal conductivity (kappa) (FIG. 4 (C)). 試料No.7〜10のX線回折パターンである。Sample No. 7 to 10 X-ray diffraction patterns. 試料No.9及び10の比抵抗ρ(図6上図)、ゼーベック係数S(図6中図)、及び、出力因子PF(図6下図)の温度依存性を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the temperature dependence of specific resistance (rho) of 9 and 10 (FIG. 6 upper figure), Seebeck coefficient S (middle figure of FIG. 6), and output factor PF (FIG. 6 lower figure). Mn8Al8Si8の1個のMn原子を元素Xで置換したときの形成エネルギー(FE)を示す図である。Illustrates formation energy (FE) when the substitution of one of the Mn atoms in the element X of Mn 8 Al 8 Si 8. Mn8Al8Si8の1個のAl原子又は1個のSi原子を元素Xで置換したときの形成エネルギー(FE)、及び、MnAlSiのAl又はSiを元素Xで置換したときの形成エネルギー(FE)を示す図である。Formation energy (FE) when one Al atom or one Si atom of Mn 8 Al 8 Si 8 is replaced by element X, and formation energy when Al or Si of MnAlSi is replaced by element X ( It is a figure which shows FE.

以下に本発明の一実施の形態につて詳細に説明する。
[1. 熱電材料]
本発明に係る熱電材料は、斜方晶TiSi2型構造を有し、かつ、所定の組成を有するMnAlSi系化合物を含む。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Thermoelectric material]
The thermoelectric material according to the present invention includes a MnAlSi compound having an orthorhombic TiSi 2 type structure and having a predetermined composition.

[1.1. 結晶構造]
Mn:Al:Si原子比がほぼ1:1:1であるMnAlSi系化合物の内、斜方晶TiSi2型構造を有するものは、低温相であり、この低温相は、高い熱電特性を持つ。一方、MnAlSi系化合物には、高温相も存在する。高温相の結晶構造、組成等の詳細は不明であるが、高温相は金属的な性質を持つ。従って、熱電材料を構成するMnAlSi系化合物は、低温相の含有量が高いほど好ましく、実質的に低温相のみからなるのが好ましい。高い熱電特性を得るためには、MnAlSi系化合物中の低温相の割合は、90vol%以上が好ましい。低温相の割合は、さらに好ましくは、95vol%以上、さらに好ましくは、99vol%以上である。
[1.1. Crystal structure]
Among MnAlSi compounds having an Mn: Al: Si atomic ratio of approximately 1: 1: 1, those having an orthorhombic TiSi 2 type structure are low-temperature phases, and these low-temperature phases have high thermoelectric properties. On the other hand, a high temperature phase also exists in the MnAlSi compound. Details of the crystal structure and composition of the high temperature phase are unknown, but the high temperature phase has metallic properties. Therefore, the MnAlSi compound constituting the thermoelectric material is preferably as the low-temperature phase content is high, and is preferably substantially composed of only the low-temperature phase. In order to obtain high thermoelectric properties, the proportion of the low temperature phase in the MnAlSi compound is preferably 90 vol% or more. The ratio of the low temperature phase is more preferably 95 vol% or more, and more preferably 99 vol% or more.

[1.2. 組成]
本発明において、MnAlSi系化合物は、(1)式で表される組成を有する。MnAlSi系化合物は、等原子比(Mn:Al:Si=1:1:1)の化合物を基本とするが、各サイトを占める原子の割合は、等原子比から多少ずれていても良い。
(Mn1-xx)(Al1-ySiy)2(t-z)2z ・・・(1)
但し、
0≦x≦0.2、0.45≦y≦0.55、0≦z≦0.1、
0.94≦t≦1.06、
A、Bは、それぞれ、1種又は2種以上の金属元素(アルカリ金属及びアルカリ土類金属を除く)。
[1.2. composition]
In the present invention, the MnAlSi compound has a composition represented by the formula (1). The MnAlSi compound is based on a compound having an equiatomic ratio (Mn: Al: Si = 1: 1: 1), but the ratio of atoms occupying each site may be slightly deviated from the equiatomic ratio.
(Mn 1-x A x ) (Al 1-y Si y ) 2 (tz) B 2z (1)
However,
0 ≦ x ≦ 0.2, 0.45 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.1,
0.94 ≦ t ≦ 1.06,
A and B are each one or more metal elements (excluding alkali metals and alkaline earth metals).

(1)式中、xは、Mnサイトを置換する元素Aの原子比を表す。Mnサイトへの元素Aのドーピングは、必ずしも必要ではないが、元素Aの種類を最適化すると、無ドープの場合に比べて、熱電特性が向上する。一方、過剰なドーピングは、熱電特性をかえって低下させる。従って、xは、0以上0.2以下が好ましい。   (1) In formula, x represents the atomic ratio of the element A which substitutes a Mn site. Although doping of the element A to the Mn site is not always necessary, optimizing the kind of the element A improves the thermoelectric characteristics as compared with the case of no doping. On the other hand, excessive doping reduces the thermoelectric properties. Therefore, x is preferably 0 or more and 0.2 or less.

(1)式中、yは、(Al+Si)に対するSiの原子比を表す。MnAlSi系化合物は、Al:Si=1:1(y=0.5)を基本とするが、Al:Si比は、等原子比から多少ずれていても良い。
yが小さすぎる場合、及び、大きすぎる場合のいずれも、Al又はSiのいずれか一方が過剰となり、異相を生成させる原因となる。従って、yは、0.45以上0.55以下が好ましい。
In the formula (1), y represents the atomic ratio of Si to (Al + Si). The MnAlSi compound is based on Al: Si = 1: 1 (y = 0.5), but the Al: Si ratio may be slightly deviated from the equiatomic ratio.
In both cases where y is too small and too large, either Al or Si becomes excessive, which causes a heterogeneous phase. Therefore, y is preferably 0.45 or more and 0.55 or less.

(1)式中、tは、Mnサイトを占める原子と、Alサイト+Siサイトを占める元素との原子比を表す。MnAlSi系化合物は、Mn:(Al+Si)=1:2(t=1)を基本とするが、Mn:(Al+Si)比は、1:2から多少ずれていても良い。
tが小さすぎる場合、及び、大きすぎる場合のいずれも、Mn又は(Al+Si)のいずれか一方が過剰となり、異相を生成させる原因となる。従って、tは、0.96以上1.06以下が好ましい。
In the formula (1), t represents an atomic ratio between an atom occupying a Mn site and an element occupying an Al site + Si site. The MnAlSi compound is based on Mn: (Al + Si) = 1: 2 (t = 1), but the Mn: (Al + Si) ratio may be slightly different from 1: 2.
In both cases where t is too small and too large, either Mn or (Al + Si) becomes excessive, causing a heterogeneous phase. Therefore, t is preferably 0.96 or more and 1.06 or less.

(1)式中、zは、Alサイト又はSiサイトを置換する元素Bの原子比を表す。Alサイト又はSiサイトへの元素Bのドーピングは、必ずしも必要ではないが、元素Bの種類を最適化すると、無ドープの場合に比べて熱電特性が向上する。一方、過剰なドーピングは、熱電特性をかえって低下させる。従って、zは、0以上0.1以下が好ましい。   (1) In formula, z represents the atomic ratio of the element B which substitutes an Al site or a Si site. Although doping of the element B to the Al site or Si site is not necessarily required, optimizing the type of the element B improves the thermoelectric characteristics compared to the case of no doping. On the other hand, excessive doping reduces the thermoelectric properties. Therefore, z is preferably 0 or more and 0.1 or less.

(1)式中、Aは、Mnサイトを置換する元素を表す。元素Aは、金属元素(但し、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を除く)からなる。Mnサイトは、これらのいずれか1種の元素Aにより置換されていても良く、あるいは、2種以上の元素Aにより置換されていても良い。
特に、元素Aは、Cr、Fe、Co、Mo、Ru、Rh、W、Re、Os、及び、Irから選ばれる少なくとも1種以上の元素が好ましい。これらの元素は、Mnサイトに確実に導入されるので、元素Aとして特に好適である。
(1) In formula, A represents the element which substitutes a Mn site. Element A consists of a metal element (however, excluding alkali metals and alkaline earth metals). The Mn site may be substituted with any one of these elements A, or may be substituted with two or more elements A.
In particular, the element A is preferably at least one element selected from Cr, Fe, Co, Mo, Ru, Rh, W, Re, Os, and Ir. Since these elements are surely introduced into the Mn site, they are particularly suitable as the element A.

(1)式中、Bは、Alサイト又はSiサイトを置換する元素を表す。元素Bは、金属元素(但し、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を除く)からなる。Alサイト及びSiサイトは、一方が元素Bにより置換されていても良く、あるいは、双方が元素Bにより置換されていても良い。また、Alサイト及び/又はSiサイトは、これらのいずれか1種の元素Bにより置換されていても良く、あるいは、2種以上の元素Bにより置換されていても良い。
特に、元素Bは、Sc、Ti、Zn、Ga、Ge、Al、及び、Siから選ばれる少なくとも1種以上の元素が好ましい。これらの元素は、Alサイト又はSiサイトに確実に導入されるので、元素Aとして特に好適である。
(1) In formula, B represents the element which substitutes an Al site or Si site. The element B is composed of a metal element (excluding alkali metals and alkaline earth metals). One of the Al site and the Si site may be substituted with the element B, or both may be substituted with the element B. Moreover, the Al site and / or the Si site may be substituted by any one of these elements B, or may be substituted by two or more kinds of elements B.
In particular, the element B is preferably at least one element selected from Sc, Ti, Zn, Ga, Ge, Al, and Si. Since these elements are surely introduced into the Al site or Si site, they are particularly suitable as the element A.

ここで、本発明において、「金属元素」というときは、Si、Geなどのいわゆる半金属元素も含まれる。すなわち、「金属元素」とは、遷移金属元素又は典型金属元素(但し、アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素を除く)をいう。
本発明において、「遷移金属元素」とは、第3族〜第11族元素(Sc〜Cu、Y〜Ag、La〜Au、Ac〜Rg)をいう。
「典型金属元素」とは、第12族〜第18族に属する金属元素又は半金属元素をいう。
Here, in the present invention, the term “metal element” includes so-called metalloid elements such as Si and Ge. That is, the “metal element” refers to a transition metal element or a typical metal element (excluding an alkali metal element and an alkaline earth metal element).
In the present invention, the “transition metal element” refers to a Group 3 to Group 11 element (Sc to Cu, Y to Ag, La to Au, Ac to Rg).
“Typical metal element” refers to a metal element or a semi-metal element belonging to Group 12 to Group 18.

[1.3. 不純物]
本発明に係る熱電材料は、上述したTiSi2型結晶構造を有するMnAlSn系化合物のみからなることが望ましいが、不可避的不純物(例えば、異相)が含まれていても良い。但し、熱電特性に悪影響を与える異相は、少ない方が好ましい。
さらに、本実施の形態に係る熱電材料は、上述したMnAlSn系化合物と、他の材料(例えば、樹脂、ゴム等)との複合体であっても良い。
[1.3. impurities]
The thermoelectric material according to the present invention is preferably composed of only the above-described MnAlSn-based compound having the TiSi 2 type crystal structure, but may contain inevitable impurities (for example, heterogeneous phase). However, it is preferable that the number of heterogeneous phases that adversely affect thermoelectric properties is small.
Furthermore, the thermoelectric material according to the present embodiment may be a composite of the above-described MnAlSn-based compound and other materials (for example, resin, rubber, etc.).

[2. 熱電材料の製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る熱電材料の製造方法は、溶解鋳造工程と、アニール工程とを備えている。
[2. Thermoelectric Material Manufacturing Method (1)]
The method for manufacturing a thermoelectric material according to the first embodiment of the present invention includes a melting casting process and an annealing process.

[2.1. 溶解鋳造工程]
溶解鋳造工程は、本発明に係るMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解し、鋳造する工程である。
原料には、純金属を用いても良く、あるいは、2種以上の構成元素を含む合金を用いても良い。また、原料には、一旦、溶解・鋳造、焼結等の工程を経たMnAlSi系化合物又はそのスクラップを用いることもできる。これらの原料は、目的とする組成を有するMnAlSi系化合物が得られるように配合する。
原料の溶解方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶解方法としては、具体的には、アーク溶解法、高周波溶解法などがある。また、原料の溶解は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
溶湯の鋳造方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法(例えば、金型鋳造法、砂型鋳造法など)を用いることができる。
[2.1. Melting and casting process]
The melt casting step is a step of melting and casting the raw materials blended so as to be the MnAlSi compound according to the present invention.
As the raw material, pure metal may be used, or an alloy containing two or more constituent elements may be used. Moreover, the MnAlSi type compound which passed through processes, such as melt | dissolution, casting, and sintering, or its scrap can also be used for a raw material. These raw materials are blended so as to obtain a MnAlSi compound having a desired composition.
The method for dissolving the raw material is not particularly limited, and various methods can be used. Specific examples of the melting method include an arc melting method and a high frequency melting method. In addition, it is preferable to dissolve the raw material in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.
The method for casting the molten metal is not particularly limited, and various methods (for example, a mold casting method, a sand mold casting method, etc.) can be used.

[2.2. アニール工程]
アニール工程は、溶解鋳造工程で得られた鋳塊を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加熱し、斜方晶TiSi2型構造を有するMnAlSi系化合物を生成させる工程である。
上述したように、MnAlSi系化合物には、低温相と高温相が存在する。そのため、単に溶解・鋳造するだけでは、鋳塊の一部に高温相が残存する場合がある。高温相は、金属的であるため、高温相の割合が大きくなるほど、熱電特性が低下する。アニール工程は、鋳塊に残った高温相を低温相に変態させるために行う。
[2.2. Annealing process]
In the annealing process, the ingot obtained in the melt casting process is heated in a vacuum atmosphere or in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower to produce an MnAlSi compound having an orthorhombic TiSi 2 type structure. It is a process to make.
As described above, the MnAlSi compound has a low temperature phase and a high temperature phase. Therefore, the high temperature phase may remain in a part of the ingot simply by melting and casting. Since the high temperature phase is metallic, the larger the ratio of the high temperature phase, the lower the thermoelectric properties. The annealing process is performed to transform the high temperature phase remaining in the ingot to the low temperature phase.

一般に、アニール温度が低すぎると、実用的な時間内に高温相を低温相に変態させるのが困難となる。従って、アニール温度は、500℃以上が好ましい。
一方、アニール温度が高すぎると、かえって高温相の割合が増大する。従って、アニール温度は、1000℃以下が好ましい。
アニール時間は、アニール温度に応じて、最適な時間を選択する.一般に、アニール温度が高くなるほど、短時間で高温相を低温相に変態させることができる。
さらに、アニールは、試料の酸化及びこれに起因する組成変化を抑制するために、真空雰囲気又は不活性ガス中で行うのが好ましい。
最適なアニール条件は、原料組成や鋳塊の熱履歴などにより異なる。従って、鋳塊が低温相単相となるように、原料組成や熱履歴に応じて、最適なアニール条件を選択するのが好ましい。
In general, if the annealing temperature is too low, it becomes difficult to transform the high temperature phase into the low temperature phase within a practical time. Therefore, the annealing temperature is preferably 500 ° C. or higher.
On the other hand, if the annealing temperature is too high, the ratio of the high temperature phase increases. Accordingly, the annealing temperature is preferably 1000 ° C. or lower.
Select the optimal annealing time according to the annealing temperature. In general, the higher the annealing temperature, the faster the high temperature phase can be transformed into the low temperature phase.
Further, the annealing is preferably performed in a vacuum atmosphere or in an inert gas in order to suppress oxidation of the sample and composition change resulting therefrom.
The optimum annealing conditions vary depending on the raw material composition and the heat history of the ingot. Therefore, it is preferable to select optimum annealing conditions according to the raw material composition and thermal history so that the ingot becomes a low-temperature single phase.

[3. 熱電材料の製造方法(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る熱電材料の製造方法は、急冷工程と、焼結工程と、アニール工程とを備えている。
[3. Thermoelectric Material Manufacturing Method (2)]
The method for manufacturing a thermoelectric material according to the second embodiment of the present invention includes a rapid cooling process, a sintering process, and an annealing process.

[3.1. 急冷工程]
急冷工程は、本発明に係るMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解することにより得られる溶湯を急冷凝固させる工程である。
急冷工程で用いられる原料は、純金属を用いても良く、あるいは、2種以上の構成元素を含む合金を用いても良い。また、原料には、一旦、溶解・鋳造、焼結等の工程を経たMnAlSi系化合物又はそのスクラップを用いることもできる。これらの原料は、目的とする組成を有するMnAlSi系化合物が得られるように配合する。
[3.1. Rapid cooling process]
The rapid cooling step is a step of rapidly solidifying a molten metal obtained by melting a raw material blended so as to be the MnAlSi compound according to the present invention.
As a raw material used in the rapid cooling step, pure metal may be used, or an alloy containing two or more constituent elements may be used. Moreover, the MnAlSi type compound which passed through processes, such as melt | dissolution, casting, and sintering, or its scrap can also be used for a raw material. These raw materials are blended so as to obtain a MnAlSi compound having a desired composition.

急冷凝固は、ノズルを用いて溶湯を冷却媒体に噴霧又は滴下することにより行う。急冷凝固の際に用いられるノズルの材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。ノズルには、一般に石英ノズルが用いられるが、窒化ホウ素製ノズルを用いても良い。窒化ホウ素製ノズルは溶湯との反応性に乏しいので、これを用いて急冷凝固を行うと、組成ズレや不純物の混入、及びこれらに起因する熱電特性の低下を抑制することができる。
急冷凝固方法としては、具体的には、
(1) ノズル内で溶融させた溶湯を、回転する銅ロール(冷却媒体)上に噴霧又は滴下する方法(銅ロール法)、
(2) ノズル内で溶融させた溶湯をノズル穴から噴霧又は滴下させ、溶湯の流れに周囲からジェット流体を吹きつけ、生成した液滴を落下させながら凝固させる方法(アトマイズ法)、
などがある。
急冷凝固方法としてアトマイズ法を用いる場合、溶湯の酸化を防ぐために、ジェット流体には、不活性ガス(例えば、Arなど)を用いるのが好ましい。
Rapid solidification is performed by spraying or dripping molten metal onto a cooling medium using a nozzle. The material of the nozzle used in the rapid solidification is not particularly limited, and various materials can be used. As the nozzle, a quartz nozzle is generally used, but a boron nitride nozzle may be used. Since the boron nitride nozzle is poor in reactivity with the molten metal, if it is used for rapid solidification, compositional deviation, contamination of impurities, and deterioration of thermoelectric properties due to these can be suppressed.
Specifically, as a rapid solidification method,
(1) A method (copper roll method) in which the molten metal melted in the nozzle is sprayed or dripped onto a rotating copper roll (cooling medium),
(2) A method in which the molten metal melted in the nozzle is sprayed or dripped from the nozzle hole, a jet fluid is blown from the surroundings to the flow of the molten metal, and the generated droplet is solidified while dropping (atomizing method),
and so on.
When the atomizing method is used as the rapid solidification method, it is preferable to use an inert gas (for example, Ar) for the jet fluid in order to prevent oxidation of the molten metal.

ノズルとして窒化ホウ素製ノズルを用いる場合、ノズルは、そのまま使用しても良いが、原料を溶解する前に、予め不活性ガス雰囲気下(例えば、Ar、N2など)において600℃以上で加熱処理したものを用いるのが好ましい。製造直後の窒化ホウ素には、ガスや水分が吸着しているが、これを所定の条件下で熱処理すると、吸着ガスや吸着水が除去されるので、不純物(特に、O)の混入を最小限に抑制することができる。
急冷時の冷却速度は、100℃/sec以上が好ましい。冷却速度が100℃/sec未満であると、成分元素が偏析し、均一な固溶体が得られない場合がある。均一な固溶体を得るためには、冷却速度は、速いほどよい。
When a boron nitride nozzle is used as the nozzle, the nozzle may be used as it is, but before the raw material is dissolved, heat treatment is performed at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere (for example, Ar, N 2, etc.) in advance. It is preferable to use the above. Immediately after production, boron nitride adsorbs gas and moisture, but if this is heat-treated under specified conditions, the adsorbed gas and adsorbed water are removed, so that the contamination of impurities (especially O) is minimized. Can be suppressed.
The cooling rate during the rapid cooling is preferably 100 ° C./sec or more. When the cooling rate is less than 100 ° C./sec, the component elements are segregated and a uniform solid solution may not be obtained. In order to obtain a uniform solid solution, the faster the cooling rate, the better.

[3.2. 焼結工程]
焼結工程は、急冷工程で得られた急冷凝固物の粉末を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加圧焼結し、斜方晶TiSi2型構造を有するMnAlSi系化合物を含む焼結体を得る工程である。
急冷凝固物は、必要に応じて粉砕し、適度な粒度とする。この粉末をそのまま又はこの粉末の成形体を型内に充填し、加圧焼結を行う。
加圧焼結法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。加圧焼結法としては、具体的には、ホットプレス、HIP、放電プラズマ焼結法(SPS)などがある。これらの中でも、放電プラズマ焼結法は、短時間で緻密な焼結体が得られるので、焼結方法として特に好適である。
[3.2. Sintering process]
In the sintering process, the rapidly solidified powder obtained in the rapid cooling process is pressure-sintered at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in a vacuum atmosphere or in an inert gas to form an orthorhombic TiSi 2 type structure. This is a step of obtaining a sintered body containing the MnAlSi-based compound.
The rapidly solidified product is pulverized as necessary to obtain an appropriate particle size. This powder is filled as it is or a compact of this powder is filled in a mold, and pressure sintering is performed.
The pressure sintering method is not particularly limited, and various methods can be used. Specific examples of the pressure sintering method include hot pressing, HIP, and discharge plasma sintering (SPS). Among these, the discharge plasma sintering method is particularly suitable as a sintering method because a dense sintered body can be obtained in a short time.

溶湯を急冷凝固させると、高温相を含有するが、微細な結晶粒からなる低温相が得られる。これを適当な温度で焼結させると、焼結体が緻密化すると同時に高温相から低温相への変態が起こる。
一般に、焼結温度が低すぎると、実用的な時間内で緻密な焼結体を得ることができない。従って、焼結温度は、500℃以上が好ましい。
一方、焼結温度が高すぎると、焼結過程で生成した低温相が再度、高温相に変態する。従って、焼結温度は、1000℃以下が好ましい。
When the molten metal is rapidly solidified, a low temperature phase comprising fine crystal grains is obtained although it contains a high temperature phase. When this is sintered at an appropriate temperature, the sintered body is densified and at the same time a transformation from a high temperature phase to a low temperature phase occurs.
Generally, when the sintering temperature is too low, a dense sintered body cannot be obtained within a practical time. Therefore, the sintering temperature is preferably 500 ° C. or higher.
On the other hand, if the sintering temperature is too high, the low temperature phase generated in the sintering process is transformed again into the high temperature phase. Therefore, the sintering temperature is preferably 1000 ° C. or less.

焼結時間は、焼結温度に応じて、最適な時間を選択する.一般に、焼結温度が高くなるほど、短時間で緻密な焼結体を得ることができる。
また、焼結は、試料の酸化及びこれに起因する組成変化を抑制するために、真空雰囲気又は不活性ガス中で行うのが好ましい。
さらに、焼結時の圧力は、組成、使用する焼結方法等に応じて、最適なものを選択する。一般に、焼結時の圧力が大きくなるほど、低温・短時間の条件下で緻密な焼結体を得ることができる。一方、必要以上の加圧は、実益がない。例えば、放電プラズマ焼結法を用いる場合、加圧力は、20MPa以上が好ましい。
最適な焼結条件は、原料組成により異なる。従って、緻密な焼結体が得られるように、原料組成や熱履歴に応じて、最適なアニール条件を選択するのが好ましい。
Select the optimum sintering time according to the sintering temperature. Generally, as the sintering temperature increases, a dense sintered body can be obtained in a short time.
In addition, the sintering is preferably performed in a vacuum atmosphere or an inert gas in order to suppress the oxidation of the sample and the composition change resulting therefrom.
Furthermore, the optimum pressure for sintering is selected according to the composition, the sintering method used, and the like. Generally, as the pressure during sintering increases, a dense sintered body can be obtained under low temperature and short time conditions. On the other hand, more pressure than necessary has no real benefit. For example, when the discharge plasma sintering method is used, the applied pressure is preferably 20 MPa or more.
The optimum sintering condition varies depending on the raw material composition. Therefore, it is preferable to select optimum annealing conditions according to the raw material composition and thermal history so that a dense sintered body can be obtained.

[3.3. アニール工程]
アニール工程は、焼結工程で得られた焼結体を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加熱し、斜方晶TiSi2型構造を有するMnAlSi系化合物を生成させる工程である。
焼結条件が適切であると、焼結過程で、焼結と同時に高温相から低温相への変態が起こる。従って、焼結条件が適切である場合には、必ずしもアニール工程は必要ではない。
しかしながら、焼結条件によっては、急冷凝固時に生成した高温相や歪がそのまま残留し、あるいは、焼結の初期過程で生成した低温相が焼結の後期課程において高温相に再度、変態する場合がある。このような場合には、焼結体のアニールを行い、焼結体中の高温相を低温相に変態させるのが好ましい。
アニール工程の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[3.3. Annealing process]
In the annealing process, the sintered body obtained in the sintering process is heated in a vacuum atmosphere or in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower to obtain an MnAlSi compound having an orthorhombic TiSi 2 type structure. It is a process of generating.
If the sintering conditions are appropriate, the transformation from the high temperature phase to the low temperature phase occurs simultaneously with the sintering in the sintering process. Therefore, when the sintering conditions are appropriate, the annealing step is not always necessary.
However, depending on the sintering conditions, the high-temperature phase and strain generated during rapid solidification may remain as they are, or the low-temperature phase generated in the initial stage of sintering may transform again into the high-temperature phase in the later stage of sintering. is there. In such a case, it is preferable to anneal the sintered body to transform the high temperature phase in the sintered body into a low temperature phase.
The details of the annealing process are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

[4. 熱電材料及びその製造方法の作用]
高性能な熱電材料を実現するためには、大きなゼーベック係数Sと高い電気伝導度σを両立する必要がある。どちらもフェルミ面近傍の電子状態に大きく依存しており、前者は状態密度のエネルギー依存性が大きいこと、後者はバンド幅が大きいこと、がそれぞれ必要条件となる。MnAlSi系化合物は、これら2つの要素を兼ね備えた電子状態を有する。すなわち、Mnのd軌道と、Al、Siのp軌道がフェルミ面近傍で共存しており、d電子による大きな状態密度の変化とp軌道による大きなバンド幅が両立している。このような電子状態の特性より、高性能な熱電特性が実現されていると考えられる。
また、各種ドーピングにより、PF=σS2が最大となるように、フェルミ面の位置を最適化することができる。さらに、質量の異なる元素置換により、熱伝導度κが低減し、性能指数Z=PF/κが向上する。
[4. Operation of thermoelectric material and manufacturing method thereof]
In order to realize a high-performance thermoelectric material, it is necessary to achieve both a large Seebeck coefficient S and a high electrical conductivity σ. Both of them depend greatly on the electronic state in the vicinity of the Fermi surface. The former requires a large energy dependency of the density of states, and the latter requires a large bandwidth. The MnAlSi-based compound has an electronic state that combines these two elements. That is, the d orbitals of Mn and the p orbitals of Al and Si coexist in the vicinity of the Fermi surface, and a large change in state density due to d electrons and a large bandwidth due to p orbitals are compatible. It is considered that high-performance thermoelectric characteristics are realized from the characteristics of the electronic state.
Moreover, the position of the Fermi surface can be optimized so that PF = σS 2 is maximized by various dopings. Furthermore, by replacing the elements with different masses, the thermal conductivity κ is reduced and the figure of merit Z = PF / κ is improved.

(実施例1)
[1. 試料の作製(試料No.1〜6、A、B)]
原材料を組成比に合わせて秤量し、BN坩堝に詰めた。これをAr雰囲気中で高周波溶解により原料を溶解し、BN坩堝内で凝固させた。得られたインゴットをガラス管内に真空封入し、800℃で24時間アニールした。表1に、各試料の組成比及び一般式((1)式)のパラメータx、y、z、tを示す。なお、表1には、後述する試料No.7〜10、C〜Gの組成比及びパラメータも併せて示した。
Example 1
[1. Sample Preparation (Sample Nos. 1-6, A, B)]
The raw materials were weighed according to the composition ratio and packed in a BN crucible. This was melted by high frequency melting in an Ar atmosphere and solidified in a BN crucible. The obtained ingot was vacuum-sealed in a glass tube and annealed at 800 ° C. for 24 hours. Table 1 shows the composition ratio of each sample and the parameters x, y, z, and t of the general formula (formula (1)). Table 1 shows sample No. described later. The composition ratios and parameters of 7 to 10 and C to G were also shown.

Figure 2011054850
Figure 2011054850

[2. 試験方法]
[2.1. XRD]
試料の結晶相及び構造は、X線回折(XRD)装置によって評価した。
[2.2. 熱電特性]
試料を矩形に加工し、600K以下の熱電特性を評価した。低温域の熱電特性は、カンタムデザイン社、サーマルトランスポート測定装置(TTO)で評価し、高温域の熱電特性は、MMR社製ゼーベック効果測定装置(MMR)で評価した。
[2. Test method]
[2.1. XRD]
The crystal phase and structure of the sample were evaluated by an X-ray diffraction (XRD) apparatus.
[2.2. Thermoelectric characteristics]
The sample was processed into a rectangle, and thermoelectric properties of 600K or less were evaluated. The thermoelectric characteristics in the low temperature region were evaluated by Quantum Design, Inc., a thermal transport measuring device (TTO), and the thermoelectric properties in the high temperature region were evaluated by a Seebeck effect measuring device (MMR) manufactured by MMR.

[3. 結果]
[3.1. XRD]
図1及び図2に、アニール後の試料のXRD測定結果を示す。これらの結果より、試料No.2、3、4、A、Bの組成において、MnAlSi単相に近い化合物が得られた。試料No.Aの組成から離れると、↓で示すような異相成分が増大した。
[3.2. 熱電特性]
MnAlSi単相に近い試料No.A、Bに関して、熱電特性を評価した。図3及び図4に、それぞれ、試料No.A及びBの熱電特性を示す。試料No.Aでは、ゼーベック係数Sが負のn型を示した。試料No.Bでは、ゼーベック係数が正のp型を示した。どちらも400K近傍でゼーベック係数Sの絶対値が300μV/K以上と大きな値を示した。一方、比抵抗ρは、10〜20mΩcmであった。熱伝導度は、室温近傍で10W/K/mであり、従来技術のRuAl2の半分程度であった。
[3. result]
[3.1. XRD]
1 and 2 show the XRD measurement results of the annealed sample. From these results, sample no. In the compositions of 2, 3, 4, A, and B, a compound close to a MnAlSi single phase was obtained. Sample No. When away from the composition of A, heterogeneous components as indicated by ↓ increased.
[3.2. Thermoelectric characteristics]
Sample No. near MnAlSi single phase. Regarding A and B, thermoelectric properties were evaluated. 3 and FIG. 4, sample No. The thermoelectric characteristics of A and B are shown. Sample No. In A, the Seebeck coefficient S showed a negative n-type. Sample No. In B, the Seebeck coefficient was positive p-type. In both cases, the absolute value of the Seebeck coefficient S was as large as 300 μV / K or more in the vicinity of 400K. On the other hand, the specific resistance ρ was 10 to 20 mΩcm. The thermal conductivity was 10 W / K / m near room temperature, about half that of RuAl 2 of the prior art.

(実施例2)
[1. 試料の作製(試料No.7〜10)]
原材料を試料No.Aの組成比に合わせて秤量し、BN坩堝に詰めた。これをAr雰囲気中で高周波溶解により原料を溶解し、BN坩堝内で凝固させた(試料No.7)。得られたインゴットを再びAr雰囲気中で高周波溶解によってノズル付きBN坩堝内で溶解し、単ロール法により急冷凝固した(試料No.8)。回収した材料をSPS焼結装置によって、800℃×15分×50MPaの条件下で焼結した(試料No.9)。さらに、試料をガラス管内に真空封入し、800℃×24時間アニールした(試料10)。表1に、各試料の組成及び一般式のパラメータを示す。
(Example 2)
[1. Preparation of sample (sample Nos. 7 to 10)]
The raw material is sample no. It weighed according to the composition ratio of A and packed in a BN crucible. The raw material was melted by high-frequency melting in an Ar atmosphere and solidified in a BN crucible (Sample No. 7). The obtained ingot was again melted in a BN crucible with a nozzle by high-frequency melting in an Ar atmosphere, and rapidly solidified by a single roll method (sample No. 8). The recovered material was sintered by a SPS sintering apparatus under the conditions of 800 ° C. × 15 minutes × 50 MPa (sample No. 9). Further, the sample was vacuum sealed in a glass tube and annealed at 800 ° C. for 24 hours (Sample 10). Table 1 shows the composition of each sample and the parameters of the general formula.

[2. 試験方法]
[2.1. XRD]
試料の結晶相及び構造は、X線回折(XRD)装置によって評価した。
[2.2. 熱電特性]
試料を矩形に加工し、100℃(373K)〜300℃(573K)の熱電特性を評価した。
[2. Test method]
[2.1. XRD]
The crystal phase and structure of the sample were evaluated by an X-ray diffraction (XRD) apparatus.
[2.2. Thermoelectric characteristics]
The sample was processed into a rectangular shape, and the thermoelectric characteristics at 100 ° C. (373 K) to 300 ° C. (573 K) were evaluated.

[3. 結果]
[3.1. XRD]
図5に、試料No.7〜10のXRD測定結果を示す。溶解鋳造した試料No.7及び急冷凝固直後の試料No.8は、TiSi2型構造のMnAlSiとは異なるXRDパターンであった。おそらく、高温相と思われる。SPS焼結後の試料No.9及びアニール後の試料No.10は、ほぼMnAlSi単相に近いXRDパターンが得られた。
[3.2. 熱電特性]
単相に近い試料No.9及び試料No.10に関して、熱電特性を評価した。図6に、その結果を示す。実施例1の試料No.Aと同様、ゼーベック係数Sが負のn型を示した。また、373K近傍でゼーベック係数Sの絶対値が250μV/Kと大きな値を示した。一方、比抵抗ρは、7mΩcmであった。
以上の結果より、本発明に係る方法によって作製された試料が良好な熱電特性を示すことがわかった。
[3. result]
[3.1. XRD]
In FIG. The XRD measurement result of 7-10 is shown. Sample No. melted and cast 7 and sample No. 8 was an XRD pattern different from MnAlSi having a TiSi 2 type structure. Probably the high temperature phase. Sample No. after SPS sintering 9 and the sample No. after annealing. No. 10, an XRD pattern almost similar to a MnAlSi single phase was obtained.
[3.2. Thermoelectric characteristics]
Sample No. close to single phase. 9 and sample no. 10 was evaluated for thermoelectric properties. FIG. 6 shows the result. Sample No. 1 of Example 1 Like A, the Seebeck coefficient S showed a negative n-type. In addition, the absolute value of the Seebeck coefficient S was as large as 250 μV / K in the vicinity of 373K. On the other hand, the specific resistance ρ was 7 mΩcm.
From the above results, it was found that the sample produced by the method according to the present invention showed good thermoelectric properties.

(実施例3)
[1. 第一原理計算(試料No.C〜G)]
Mnサイト、Alサイト、Siサイトの各サイトに元素置換したときの形成エネルギーを、第一原理計算によって評価した。形成エネルギーは小さい方が安定であることを示し、0以下で置換が基底状態でも存在し得ることを示す。プロセス条件に依存するが、形成エネルギーが1eV以下であれば、その元素置換は可能と考えられる。
表1に、各試料の組成及び一般式のパラメータを示す。
(Example 3)
[1. First-principles calculation (Sample Nos. C to G)]
The formation energy at the time of element substitution at each site of Mn site, Al site, and Si site was evaluated by first principle calculation. The smaller the formation energy, the more stable it is, and it is 0 or less, indicating that substitution can exist even in the ground state. Although depending on the process conditions, if the formation energy is 1 eV or less, the element substitution is considered possible.
Table 1 shows the composition of each sample and the parameters of the general formula.

[2. 結果]
図7に、Mnサイトに12.5at%元素置換した結果を示す。
図7より、
(1)これらの元素(Cr、Fe、Co、Mo、Ru、Rh、W、Re、Os、Ir)の形成エネルギーは、1eV以下と低く、Mnサイトへの元素置換が可能と考えられる、
(2)電子キャリアを導入(n型化)するには、Ru、Rh、Os、Ir、Fe、Coが置換元素として有効である、
(3)ホールキャリアを導入(p型化)するには、Mo、Cr、Wが置換元素として有効である、
(4)熱伝導度κを低減させるための同族元素としては、Reが置換元素として有効である、
ことがわかる。
[2. result]
FIG. 7 shows the result of 12.5 at% element substitution at the Mn site.
From FIG.
(1) The formation energy of these elements (Cr, Fe, Co, Mo, Ru, Rh, W, Re, Os, Ir) is as low as 1 eV or less, and element substitution to Mn sites is possible.
(2) In order to introduce (n-type) electron carriers, Ru, Rh, Os, Ir, Fe, and Co are effective as substitution elements.
(3) To introduce hole carriers (p-type), Mo, Cr, and W are effective as substitution elements.
(4) As a group element for reducing the thermal conductivity κ, Re is effective as a substitution element.
I understand that.

図8に、Alサイトに12.5at%元素置換した結果(●:試料No.D)、及び、Siサイトに12.5at%元素置換した結果(■:試料No.E)を示す。
図8より、
(1)Alサイトには、Sc、Zn、Gaが置換元素として適当である、
(2)Siサイトには、Ga、Ti、Geが置換元素として適当である、
(3)ホールキャリアを導入(p型化)するには、Alサイトの置換元素としてZnが有効であり、Siサイトの置換元素としてGaが有効である、
(4)熱伝導度κを低減するための同族元素としては、Alサイトの置換元素としてSc、Gaが有効であり、Siサイトの置換元素としてTi、Geが有効である、
ことがわかる。
FIG. 8 shows the result of element substitution at 12.5 at% for the Al site (●: sample No. D) and the result of substitution of 12.5 at% element for the Si site (■: sample No. E).
From FIG.
(1) Sc, Zn, and Ga are suitable as substitution elements for the Al site.
(2) Ga, Ti, and Ge are suitable as substitution elements for the Si site.
(3) In order to introduce (p-type) hole carriers, Zn is effective as a substitution element for the Al site, and Ga is effective as a substitution element for the Si site.
(4) As a cognate element for reducing the thermal conductivity κ, Sc and Ga are effective as substitution elements for Al sites, and Ti and Ge are effective as substitution elements for Si sites.
I understand that.

さらに、図8に、Alサイトに100at%元素置換した結果(○:試料No.F)、及び、Siサイトに100at%元素置換した結果(□:試料No.G)を示す。
図8より、AlサイトにSc、Zn又はGaをドープする場合、及び、SiサイトにGeをドープする場合、100at%元素置換したときと12.5at%元素置換したときとで、形成エネルギーの差があまりないことがわかる。そのため、これらをドーピングする際には、高濃度の置換が可能であると考えられる。
Further, FIG. 8 shows the result of substituting 100 at% element for the Al site (◯: sample No. F) and the result of substituting 100 at% element for the Si site (□: sample No. G).
As shown in FIG. 8, when the Al site is doped with Sc, Zn or Ga, and when the Si site is doped with Ge, the difference in formation energy between the 100 at% element substitution and the 12.5 at% element substitution. It turns out that there is not much. For this reason, it is considered that high-concentration substitution is possible when doping them.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る熱電材料及びその製造方法は、太陽熱発電器、海水温度差熱電発電器、化石燃料熱電発電器、工場排熱や自動車排熱の回生発電器等の各種の熱電発電器、光検出素子、レーザーダイオード、電界効果トランジスタ、光電子増倍管、分光光度計のセル、クロマトグラフィーのカラム等の精密温度制御装置、恒温装置、冷暖房装置、冷蔵庫、時計用電源等に用いられる熱電素子を構成する熱電材料及びその製造方法として使用することができる。   The thermoelectric material and the manufacturing method thereof according to the present invention include a solar thermoelectric generator, a seawater temperature difference thermoelectric generator, a fossil fuel thermoelectric generator, various thermoelectric generators such as factory exhaust heat and automobile exhaust heat regenerative generator, and light detection. Constructs thermoelectric elements used for precision temperature control devices such as elements, laser diodes, field effect transistors, photomultiplier tubes, spectrophotometer cells, chromatographic columns, thermostats, air conditioners, refrigerators, clock power supplies, etc. It can be used as a thermoelectric material and a manufacturing method thereof.

Claims (5)

斜方晶TiSi2型構造を有し、(1)式で表されるMnAlSi系化合物を含む熱電材料。
(Mn1-xx)(Al1-ySiy)2(t-z)2z ・・・(1)
但し、
0≦x≦0.2、0.45≦y≦0.55、0≦z≦0.1、
0.94≦t≦1.06、
A、Bは、それぞれ、1種又は2種以上の金属元素(但し、アルカリ金属及びアルカリ土類金属を除く)。
A thermoelectric material having an orthorhombic TiSi 2 type structure and containing a MnAlSi-based compound represented by the formula (1).
(Mn 1-x A x ) (Al 1-y Si y ) 2 (tz) B 2z (1)
However,
0 ≦ x ≦ 0.2, 0.45 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.1,
0.94 ≦ t ≦ 1.06,
A and B are each one or more metal elements (excluding alkali metals and alkaline earth metals).
前記Aは、Cr、Fe、Co、Mo、Ru、Rh、W、Re、Os、及び、Irから選ばれる少なくとも1種以上の元素であり、
前記Bは、Sc、Ti、Zn、Ga、Ge、Al、及び、Siから選ばれる少なくとも1種以上の元素である請求項1に記載の熱電材料。
A is at least one element selected from Cr, Fe, Co, Mo, Ru, Rh, W, Re, Os, and Ir;
2. The thermoelectric material according to claim 1, wherein B is at least one element selected from Sc, Ti, Zn, Ga, Ge, Al, and Si.
請求項1又は2に記載のMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解し、鋳造する溶解鋳造工程と、
前記溶解鋳造工程で得られた鋳塊を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加熱し、前記斜方晶TiSi2型構造を有する前記MnAlSi系化合物を生成させるアニール工程と
を備えた熱電材料の製造方法。
A melting and casting step of melting and casting a raw material blended so as to be the MnAlSi compound according to claim 1 or 2;
The ingot obtained in the melting and casting process is heated at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in a vacuum atmosphere or an inert gas to generate the MnAlSi compound having the orthorhombic TiSi 2 type structure. A method of manufacturing a thermoelectric material comprising an annealing step.
請求項1又は2に記載のMnAlSi系化合物となるように配合された原料を溶解することにより得られる溶湯を急冷凝固させる急冷工程と、
前記急冷工程で得られた急冷凝固物の粉末を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加圧焼結し、前記斜方晶TiSi2型構造を有する前記MnAlSi系化合物を含む焼結体を得る焼結工程と
を備えた熱電材料の製造方法。
A rapid cooling step for rapidly solidifying a molten metal obtained by dissolving a raw material blended so as to be the MnAlSi-based compound according to claim 1 or 2;
The MnAlSi having the orthorhombic TiSi 2 type structure is obtained by pressure-sintering the rapidly solidified powder obtained in the quenching step at a temperature of 500 ° C. to 1000 ° C. in a vacuum atmosphere or an inert gas. The manufacturing method of the thermoelectric material provided with the sintering process of obtaining the sintered compact containing a system compound.
前記焼結工程で得られた焼結体を、真空雰囲気又は不活性ガス中において、500℃以上1000℃以下の温度で加熱し、前記斜方晶TiSi2型構造を有する前記MnAlSi系化合物を生成させるアニール工程
をさらに備えた請求項4に記載の熱電材料の製造方法。
The sintered body obtained in the sintering step is heated in a vacuum atmosphere or in an inert gas at a temperature of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower to produce the MnAlSi compound having the orthorhombic TiSi 2 type structure. The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 4, further comprising an annealing step.
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