JP2011181725A - Anisotropic thermoelectric material, radiation detector using the same, and power generation device - Google Patents
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Description
本発明は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料と、放射検出および発電を行う熱電変換技術に関する。 The present invention relates to a material that converts thermal energy into electrical energy, and a thermoelectric conversion technology that performs radiation detection and power generation.
熱電材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電圧が発生する。この効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果として知られ、発生する起電圧Vは、温度差ΔTと材料固有のゼーベック係数Sによって、V=S(-ΔT)で表される。熱電材料の性能はゼーベック係数の他に電気抵抗率ρと熱伝導率κによって評価され、これらを総合して熱電材料の良否が決定される。 When a temperature difference occurs between both ends of the thermoelectric material, an electromotive voltage is generated in proportion to the temperature difference. This effect is known as the Seebeck effect for converting thermal energy into electrical energy, and the generated electromotive voltage V is expressed by V = S (−ΔT) by the temperature difference ΔT and the material-specific Seebeck coefficient S. The performance of the thermoelectric material is evaluated by the electrical resistivity ρ and the thermal conductivity κ in addition to the Seebeck coefficient, and the quality of the thermoelectric material is determined by combining these.
一般的に、等方的な物性を示す熱電材料において、ゼーベック効果によって発生する起電圧は、その材料に印加された温度差と同じ方向にのみ現れる。その一方で、電気輸送特性に異方性を示す熱電材料においては、図1のように、結晶軸abcが空間軸xyzに対して傾斜した系を定義すると、与えられた温度差とは直交する方向に、その温度差が寄与する起電圧の発生が観測される。すなわち、図1のような系では、次の式(1)に示すように、z軸方向に温度差ΔTzを与えると、x軸方向に起電圧Vxが発生する。 In general, in a thermoelectric material exhibiting isotropic physical properties, an electromotive voltage generated by the Seebeck effect appears only in the same direction as the temperature difference applied to the material. On the other hand, in a thermoelectric material exhibiting anisotropy in electrotransport properties, as shown in FIG. 1, when a system in which the crystal axis abc is tilted with respect to the space axis xyz is defined, the given temperature difference is orthogonal In the direction, generation of an electromotive voltage due to the temperature difference is observed. That is, in the system as shown in FIG. 1, when a temperature difference ΔT z is given in the z- axis direction, an electromotive voltage V x is generated in the x-axis direction as shown in the following equation (1).
ただし、lは試料の幅、dは試料の厚さ、αは試料表面に対するab面の傾斜角、ΔSはc軸方向のSとab面内方向のSとの差(異方性)を表す。このように、異方性のある熱電材料の傾斜配置において、熱流と異なる方向に起電圧が発生する効果を異方熱電効果、あるいは非対角熱電効果と呼ぶ。異方熱電効果によって発生する起電圧は、式(1)より、ゼーベック係数の異方性ΔS、試料のアスペクト比l/d、および積層傾斜角の2倍の正弦値sin2αに比例する。 Where l is the width of the sample, d is the thickness of the sample, α is the inclination angle of the ab plane relative to the sample surface, ΔS is the difference (anisotropy) between S in the c-axis direction and S in the ab plane direction . As described above, the effect of generating an electromotive force in a direction different from the heat flow in the inclined arrangement of the anisotropic thermoelectric material is called an anisotropic thermoelectric effect or non-diagonal thermoelectric effect. The electromotive voltage generated by the anisotropic thermoelectric effect is proportional to the anisotropy ΔS of the Seebeck coefficient, the aspect ratio l / d of the sample, and the sine value sin2α that is twice the stacking inclination angle from the equation (1).
この異方熱電効果を利用して、YBa2Cu3O7-δ(YBCO)の傾斜積層薄膜からなる放射検出器(特許文献1)およびCaxCoO2の傾斜積層薄膜からなる放射検出器(非特許文献1)がこれまでに開示されている。 Using this anisotropic thermoelectric effect, a radiation detector consisting of a YBa 2 Cu 3 O 7-δ (YBCO) graded thin film (Patent Document 1) and a radiation detector consisting of a Ca x CoO 2 graded thin film ( Non-patent document 1) has been disclosed so far.
例えばCaxCoO2は伝導性のCoO2層と絶縁性のCa層がそれぞれc軸方向に沿って交互に積層する異方的な結晶構造を有する。それゆえ、適当な基板表面上に、c軸を傾斜積層させたCaxCoO2薄膜では、CoO2面が図1における層状面に対応し、図1と同様の系が成り立つ。傾斜積層させたCaxCoO2薄膜の表面に電磁波が入射すると、CaxCoO2薄膜の表面の法線方向に温度差が発生し、その結果、上述した異方熱電効果によってCaxCoO2薄膜の表面と平行方向に起電圧が発生する。このように、電磁波の入射に伴って薄膜表面と平行方向に発生する起電圧を読み取ることで、CaxCoO2傾斜積層薄膜では、約600mV/Kの感度で電磁波の検出が可能となる。 For example, Ca x CoO 2 has an anisotropic crystal structure in which conductive CoO 2 layers and insulating Ca layers are alternately stacked along the c-axis direction. Therefore, in a Ca x CoO 2 thin film in which the c-axis is inclined and laminated on an appropriate substrate surface, the CoO 2 surface corresponds to the layered surface in FIG. 1, and the same system as in FIG. 1 is established. When the electromagnetic waves on the surface of Ca x CoO 2 thin film is inclined stacking is incident, a temperature difference occurs in the normal direction of the Ca x CoO 2 thin film surface, as a result, Ca x CoO 2 thin film by anisotropic thermoelectric effect described above An electromotive force is generated in a direction parallel to the surface of the substrate. Thus, by reading the electromotive voltage generated in the direction parallel to the surface of the thin film with the incidence of the electromagnetic wave, the Ca x CoO 2 gradient laminated thin film can detect the electromagnetic wave with a sensitivity of about 600 mV / K.
YBCOにおいてΔSは高々10μV/K、CaxCoO2においてΔSは35μV/K程度である(非特許文献1)。より高い検出感度を実現するには、これ以上のΔSが必要となる。 In YBCO, ΔS is at most 10 μV / K, and in Ca x CoO 2 , ΔS is about 35 μV / K (Non-patent Document 1). In order to achieve higher detection sensitivity, a larger ΔS is required.
上述したYBCOやCaxCoO2などの層状物質では、層に対して平行方向(層平行方向)と層に対して垂直方向(層垂直方向)の2方向間に熱電特性の大きな異方性が存在し、これと比較して層内の異なる方向ではほとんど異方性がない。さらに、これら層状物質の結晶は層平行方向に成長しやすく、層垂直方向には成長しづらいという特徴があるので、単結晶の製造で一般的に用いられるフラックス法やフローティングゾーン法などでは層垂直方向に高々100μm程度、典型的には数μmから数十μmという非常に薄い結晶しか得られない。異方熱電効果を利用するデバイスを作製するにはこの薄い単結晶をさらに斜めに切り出す工程を経て傾斜積層体としなければならない。従って最終的に得られる傾斜積層体は、単結晶の厚みと同程度の高々数十μm角に留まってしまう。このような理由により、従来の層状物質において異方熱電効果を利用するような大面積のデバイスを実現するには単結晶基板をテンプレートとして気相成長などにより層状物質の傾斜配向薄膜を成長させる必要があるが、この場合厚みは高々数μmのものしか得られない。このため、光吸収以外の手段でデバイスに対して効率よく温度差をつけることは困難で、放射検出などのセンサ用途での利用に限られていた。発電用途で利用するには少なくとも数十μm以上の厚さの傾斜積層体をより大きな面積で得ることが、固体接触等により効率よく温度差をつけるために必要となる。 In the layered materials such as YBCO and Ca x CoO 2 described above, there is a large anisotropy of thermoelectric characteristics between two directions, ie, a direction parallel to the layer (layer parallel direction) and a direction perpendicular to the layer (layer vertical direction). Compared to this, there is almost no anisotropy in different directions in the layer. In addition, the crystal of these layered materials is easy to grow in the direction parallel to the layer and difficult to grow in the direction perpendicular to the layer. Therefore, in the flux method and the floating zone method generally used in the production of single crystals, Only very thin crystals of about 100 μm in the direction, typically several μm to several tens of μm, can be obtained. In order to produce a device using the anisotropic thermoelectric effect, the thin single crystal must be further obliquely cut out to form an inclined laminate. Therefore, the finally obtained inclined laminated body remains at most several tens of μm square, which is about the same as the thickness of the single crystal. For these reasons, it is necessary to grow a graded alignment thin film of layered material by vapor phase growth using a single crystal substrate as a template in order to realize a large-area device that utilizes the anisotropic thermoelectric effect in conventional layered materials. However, in this case, only a thickness of at most several μm can be obtained. For this reason, it is difficult to efficiently create a temperature difference with respect to the device by means other than light absorption, and it has been limited to use in sensor applications such as radiation detection. In order to use in power generation applications, it is necessary to obtain an inclined laminated body having a thickness of at least several tens of μm or more in a larger area in order to efficiently make a temperature difference by solid contact or the like.
また、非特許文献2、特許文献2および非特許文献3には異種材料からなる傾斜積層構造を構成する事により生じる材料異方性および異方熱電効果を利用して冷却や発電を行うデバイスが開示されている。これらは特性の異なる2種類の材料を人工的に積層したもので、ゼーベック係数の異方性ΔSは材料の組み合わせにより数百μV/K程度まで大きくできるが、1mm以下の厚さにすることが難しく、デバイスのアスペクト比l/dを大きくすることができないので大きな起電圧を得ることが困難であった。このため冷却時あるいは発電時には低い電圧で大きな電流を流す必要があり、動作のための電源やインバーターの回路設計などが複雑になるという問題があった。
以上に述べた背景から、優れた放射検出感度を実現するためにはゼーベック係数の大きな異方性、すなわち35μV/K以上のΔSと傾斜積層体としたときの厚さが1mm以下であることが必要となる。また、発電時に効率よく温度差をつけながら高い電圧を得るためには35μV/K以上のΔSと傾斜積層体としたときの厚さが10μm以上1mm以下であることが必要となる。 From the background described above, in order to realize excellent radiation detection sensitivity, the anisotropy of the Seebeck coefficient is large, that is, ΔS of 35 μV / K or more and the thickness when the inclined laminate is 1 mm or less. Necessary. In order to obtain a high voltage while efficiently generating a temperature difference during power generation, it is necessary that ΔS of 35 μV / K or more and the thickness of the inclined laminated body be 10 μm or more and 1 mm or less.
一方、層状物質であり、かつ層平行方向の異なる向きに関して異方性を有する材料として、Sr5Nb5O17が開示されている(非特許文献4)。図2に示されるように、Sr5Nb5O17はc軸方向に5層のNbO6八面体からなるブロック層が周期的に積層された層状ペロブスカイト構造を有する。非特許文献4によればSr5Nb5O17の電気抵抗率はa軸方向と比較してb軸方向には100倍、c軸方向には10000倍異なる値を示し、層平行方向であるa軸方向とb軸方向の間にも電気抵抗率に関しては大きな異方性が存在する。Sr5Nb5O17の単結晶はフラックス法またはフローティングゾーン法などの一般的な方法により、層平行方向に数mm、層垂直方向に1mm程度の大きさのものが作製できる。 On the other hand, Sr 5 Nb 5 O 17 is disclosed as a material that is a layered substance and has anisotropy with respect to different directions in the layer parallel direction (Non-patent Document 4). As shown in FIG. 2, Sr 5 Nb 5 O 17 has a layered perovskite structure in which block layers composed of five NbO 6 octahedrons are periodically stacked in the c-axis direction. According to Non-Patent Document 4, the electrical resistivity of Sr 5 Nb 5 O 17 is 100 times different in the b-axis direction and 10000 times different in the c-axis direction compared to the a-axis direction, and is in the layer parallel direction There is a large anisotropy in terms of electrical resistivity between the a-axis direction and the b-axis direction. A single crystal of Sr 5 Nb 5 O 17 can be produced by a general method such as a flux method or a floating zone method with a size of several mm in the layer parallel direction and about 1 mm in the layer vertical direction.
これまでのところSr5Nb5O17のゼーベック係数の異方性は開示されていない。電気抵抗率の異方性があっても異方熱電効果による起電圧に直接関わるゼーベック係数の差ΔSが大きくなるとは限らない。このことは層平行方向と層垂直方向の電気抵抗率の比が室温で数十倍程度ある(非特許文献5)YBCOにおいてΔSが小さいことからもわかる。 So far, the anisotropy of the Seebeck coefficient of Sr 5 Nb 5 O 17 has not been disclosed. Even if there is anisotropy in electrical resistivity, the difference ΔS in the Seebeck coefficient directly related to the electromotive voltage due to the anisotropic thermoelectric effect does not always increase. This can also be seen from the fact that ΔS is small in YBCO where the ratio of the electrical resistivity in the layer parallel direction and the layer vertical direction is several tens of times at room temperature (Non-patent Document 5).
前述の通り、異方熱電効果により高い放射検出感度を実現するにはゼーベック係数の異方性ΔSとデバイスのアスペクト比l/dが大きい必要がある。具体的にはΔSが35μV/K以上、デバイス厚さが1mm以下である事が好ましい。また発電に用いる際には効率よく温度差をつけられるということも条件に加わり、ΔSが35μV/K以上、傾斜積層体としたときの厚さが10μm以上1mm以下である事が必要となる。従来のCaxCoO2などの層状物質あるいは異種材料からなる傾斜積層構造を用いた場合はこのようなデバイスは実現できない。 As described above, in order to realize high radiation detection sensitivity by the anisotropic thermoelectric effect, it is necessary that the anisotropy ΔS of the Seebeck coefficient and the device aspect ratio l / d be large. Specifically, ΔS is preferably 35 μV / K or more and the device thickness is 1 mm or less. In addition, when used for power generation, it is necessary to add a temperature difference efficiently, and it is necessary that ΔS is 35 μV / K or more, and that the thickness when the inclined laminate is 10 μm or more and 1 mm or less. Such a device cannot be realized when a conventional layered material such as Ca x CoO 2 or an inclined laminated structure made of different materials is used.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い放射検出感度および発電時の高い動作電圧を実現する異方的熱電材料と、これを用いた放射検出器および発電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides an anisotropic thermoelectric material that realizes high radiation detection sensitivity and high operating voltage during power generation, and a radiation detector and power generation device using the same. Objective.
前記従来の課題を解決するために、本発明者らは熱電材料の異方熱電特性について研究を重ねた結果、化学式Sr5Nb5O17で表される層状ペロブスカイト構造を有する材料の結晶において、層平行方向と層垂直方向の間だけではなく、結晶成長が容易な層平行方向であるa軸方向およびb軸方向との間においてもゼーベック係数が大きな異方性を示すことを見出し、この知見に基づいて本発明に到達するに至った。 In order to solve the conventional problem, the present inventors have conducted research on the anisotropic thermoelectric properties of thermoelectric materials, and as a result, in crystals of materials having a layered perovskite structure represented by the chemical formula Sr 5 Nb 5 O 17 , We found that the Seebeck coefficient shows large anisotropy not only between the layer parallel direction and the layer vertical direction but also between the a-axis direction and b-axis direction, which are the layer parallel directions where crystal growth is easy. Based on this, the present invention has been reached.
すなわち本発明の異方的熱電材料は、化学式Sr5Nb5O17で表され、c軸方向に5層のNbO6八面体からなるブロック層が周期的に積層してなる層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、a軸方向とa軸に対して垂直方向のゼーベック係数との差の絶対値が40μV/K以上であるような大きな異方性を有する。さらに、異方性を有する結晶軸のうち、a軸およびb軸は結晶成長が容易な層状構造の層平行方向を向いており、一般的な結晶成長法によって容易に数mm角の結晶を得ることができる。 That is, the anisotropic thermoelectric material of the present invention is represented by the chemical formula Sr 5 Nb 5 O 17 , and is a layered perovskite crystal in which block layers made of five NbO 6 octahedrons are periodically stacked in the c-axis direction It has a structure and has a large anisotropy such that the absolute value of the difference between the a-axis direction and the Seebeck coefficient in the direction perpendicular to the a-axis is 40 μV / K or more. Furthermore, among the crystal axes having anisotropy, the a-axis and the b-axis are oriented in the layer parallel direction of a layered structure in which crystal growth is easy, and a crystal of several mm square can be easily obtained by a general crystal growth method. be able to.
本発明の異方的熱電材料は結晶成長が容易な層平行方向における異なる向きに関してゼーベック係数の大きな異方性を有する。従って、一般的な結晶成長法を用いることでΔSが40μV/K以上、デバイス厚さが1mm以下である高感度の放射検出器およびΔSが40μV/K以上、デバイス厚さが10μm以上1mm以下である高性能の発電デバイスを実現する事ができる。 The anisotropic thermoelectric material of the present invention has anisotropy with a large Seebeck coefficient with respect to different directions in the layer parallel direction in which crystal growth is easy. Therefore, by using a general crystal growth method, ΔS is 40 μV / K or more and the device thickness is 1 mm or less, a highly sensitive radiation detector and ΔS is 40 μV / K or more, and the device thickness is 10 μm or more and 1 mm or less. A high-performance power generation device can be realized.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本発明の異方的熱電材料は化学式Sr5Nb5O17またはSrNbO3.4等で表される図2のような結晶構造を有する酸化物材料であり、単結晶あるいは結晶配向した焼結体からなるバルクまたは薄膜の形態で用いられる。Sr5Nb5O17の結晶のa、b、c軸の方向は図2に記載したとおりである。
(Embodiment 1)
The anisotropic thermoelectric material of the present invention is an oxide material having a crystal structure as shown in FIG. 2 represented by the chemical formula Sr 5 Nb 5 O 17 or SrNbO 3.4 , and is composed of a single crystal or a crystal-oriented sintered body. Used in bulk or thin film form. The directions of the a, b, and c axes of the Sr 5 Nb 5 O 17 crystal are as described in FIG.
本実施の形態では本発明の異方的熱電材料Sr5Nb5O17の単結晶バルクの作製方法について説明する。Sr5Nb5O17単結晶は、ストロンチウム及びニオブが含まれる酸化物を溶融し、結晶成長行うことで得られる。この際、原料として炭酸ストロンチウム(SrCO3)と五酸化二ニオブ(Nb2O5)などを用いることができる。これらの原料をストロンチウムに対しニオブのモル比率が1となる様に秤量・混合し、焼成を行うことによって単結晶成長を行う際の出発材料とする。焼成過程における条件としては1000〜1400℃での固相反応法による合成が好ましく、焼成雰囲気としては空気、酸素、またはアルゴンなどの不活性雰囲気ガス等を流入する。後の過程で所望の構造を得るためにはアルゴンなどの不活性ガスまたは水素入りアルゴンガスなどの還元性のガス等を流入し焼成・合成する事が望ましい。 In this embodiment mode, a method for manufacturing a single crystal bulk of the anisotropic thermoelectric material Sr 5 Nb 5 O 17 of the present invention will be described. The Sr 5 Nb 5 O 17 single crystal is obtained by melting an oxide containing strontium and niobium and performing crystal growth. At this time, strontium carbonate (SrCO 3 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), and the like can be used as raw materials. These raw materials are weighed and mixed so that the molar ratio of niobium to strontium is 1, and are fired to be used as starting materials for single crystal growth. As a condition in the firing process, synthesis by a solid phase reaction method at 1000 to 1400 ° C. is preferable, and as a firing atmosphere, an inert atmosphere gas such as air, oxygen, or argon is introduced. In order to obtain a desired structure in a later process, it is desirable to sinter and synthesize by introducing an inert gas such as argon or a reducing gas such as argon gas containing hydrogen.
次に得られた出発原料を用い、結晶合成を行う。結晶合成方法としてはセルフフラックス法やフローティングゾーン法またはチョクラルスキー法などに代表される引き上げ法等が有るが、比較的簡便に結晶を得られる方法としては赤外線加熱式フローティングゾーン法がある。フローティングゾーン法を用いる場合には、結晶育成を行うに先立ち、出発原料を棒状に成型する必要がある。そこで原料を焼成することで得られる出発原料を棒状(φ5×100mm)に油圧式ハンドプレス機で成型して焼成を行う。この過程での焼成については1300~1500℃付近での融点直下における焼成を行い、十分な強度が得られることが望ましく、また焼成雰囲気としてはアルゴンなどの不活性雰囲気ガスもしくは後の過程で後の過程で所望の構造を得るためには水素入りアルゴンガスなどの酸素還元性のガス等を流入することが望ましい。 Next, crystal synthesis is performed using the obtained starting material. Examples of the crystal synthesis method include a self-flux method, a floating zone method, a pulling method represented by the Czochralski method, and the like. As a method for obtaining crystals relatively easily, there is an infrared heating floating zone method. When the floating zone method is used, it is necessary to form the starting material into a rod shape prior to crystal growth. Therefore, the starting material obtained by firing the raw material is molded into a rod shape (φ5 × 100 mm) with a hydraulic hand press and fired. For firing in this process, it is desirable to perform firing immediately below the melting point in the vicinity of 1300-1500 ° C., and it is desirable to obtain sufficient strength, and the firing atmosphere is an inert atmosphere gas such as argon or later in the later process. In order to obtain a desired structure in the process, it is desirable to flow in an oxygen reducing gas such as an argon gas containing hydrogen.
フローティングゾーン法を用いる場合溶融体が安定して移動する速度で棒状の出発原料を移動させる結晶成長する。具体的には5〜15mm/Hr程度で棒状の出発原料が下方に移動することが望ましい。 When the floating zone method is used, crystals grow by moving the rod-shaped starting material at a speed at which the melt moves stably. Specifically, it is desirable that the rod-shaped starting material moves downward at about 5 to 15 mm / Hr.
以上、Sr5Nb5O17の単結晶の作製方法の一例を示したが、本発明のSr5Nb5O17を作製するにあたり、その方法はもちろん上記に限定されるものではない。 Above, an example of a method for manufacturing a single crystal of Sr 5 Nb 5 O 17, in fabricating the Sr 5 Nb 5 O 17 of the present invention, the method is not of course limited to the above.
(実施の形態2)
図3を用いながら本発明のSr5Nb5O17の結晶配向薄膜31を作製する方法について説明する。本実施の形態におけるSr5Nb5O17薄膜は単結晶基板32上に作製される。
(Embodiment 2)
A method for producing the Sr 5 Nb 5 O 17 crystal orientation
詳細は後述する実施例で述べるが、Sr5Nb5O17のa軸方向のゼーベック係数に対してb軸およびc軸方向のゼーベック係数がそれぞれ大きな異方性を示すので、異方熱電効果による起電圧を大きくするためには図3の様に基板面34に対してSr5Nb5O17の結晶配向薄膜31のa軸方向33が傾斜するように結晶成長を行うことが好ましい。以下、Sr5Nb5O17のa軸と基板面34とのなす傾斜角をαとする。
Although details will be described in the examples described later, since the Seebeck coefficient in the b-axis and c-axis direction shows large anisotropy with respect to the Seebeck coefficient in the a-axis direction of Sr 5 Nb 5 O 17 , In order to increase the electromotive voltage, it is preferable to perform crystal growth so that the
用いる単結晶基板32はSrTiO3、MgO、Al2O3、LaAlO3、NdGaO3、YAlO3、LaSrAlO4、Si等の単結晶材料が好ましい。Sr5Nb5O17のa軸方向33と基板面34とのなす傾斜角aは、上記単結晶基板32の低指数面からの傾斜角を変化させることによって制御できる。低指数面とは(100)、(010)、(001)、(110)、(011)、(101)、(111)およびこれらと等価な面のことを言う。またAl2O3の場合、低指数面は(0001)、(11-20)、(1-100)、(10-12)、(11-23)、(10-11)およびこれらと等価な面である。
The
Sr5Nb5O17のa軸方向33と基板面34とのなす傾斜角αは10°から80°の間にあることが好ましく、30°から60°であることがより好ましい。この理由は、式(1)にも示すよう、異方熱電効果によって発生する起電圧が、sin2αに比例し、45°で最大になるためである。
The inclination angle α formed between the
Sr5Nb5O17の結晶配向性薄膜31の膜厚は、a軸方向33が基板面34に対して一定の角度αを保っていれば特に限定されるものでは無いが、光吸収にてSr5Nb5O17の結晶配向性薄膜31の膜厚方向に温度差を効率的につけるためには30nm以上であることが好ましい。
The film thickness of the crystal orientation
Sr5Nb5O17の結晶配向性薄膜31をスパッタ法によって作製する場合、SrとNbのモル比が1:1であるような酸化物をターゲットとする。スパッタは純アルゴン中あるいはアルゴンと水素の混合ガス中にて行うことが好ましい。スパッタ時の圧力は0.1Paから10Paの範囲であることが好ましい。薄膜作製時の基板温度は400℃から800℃の間で保持することが好ましい。
When the crystal orientation
以上、Sr5Nb5O17の結晶配向性薄膜31の作製方法の一例を示したが、Sr5Nb5O17のa軸方向33が基板面34に対して傾斜した構造を実現できれば作製方法は特に限定されない。スパッタ法の他に、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法等の気相成長によるもの、あるいは液相や固相からの成長等、種々のものが可能である。
Above, Sr 5 Nb 5 showed an example of a method for manufacturing a crystal orientation film 31 O 17, a manufacturing method as long realized the
(実施の形態3)
図4および図5を用いながら実施の形態1に記載した方法で作製されるSr5Nb5O17を用いた放射検出器の構成について説明する。
(Embodiment 3)
A configuration of a radiation detector using Sr 5 Nb 5 O 17 manufactured by the method described in
まず、図4で示すような結晶成長にて得られた板状の結晶41を刃物にて劈開および切断して傾斜結晶片42に切り出す。この際図4で示したように、Sr5Nb5O17のa軸が傾斜結晶片42の長手方向の外形面に対して角度αとなるようにする。
First, a plate-
次に図5のように前記傾斜結晶片42の長手方向に対向する形で、短辺側の両端面に第1電極51および第2電極52を作製する。
Next, as shown in FIG. 5, the
第1電極51と第2電極52との距離を傾斜結晶片42の厚みで除したものが式(1)におけるアスペクト比l/dに対応するので、大きな起電圧を得るためには傾斜結晶片42の厚みが薄いことが好ましい。具体的には傾斜結晶片42の厚みは1mm以下であることが好ましい。
Since the distance between the
第1電極および第2電極には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いる。また、第1電極および第2電極とSr5Nb5O17との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。 It is preferable to use a material having excellent conductivity for the first electrode and the second electrode. For example, metals such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, In, or nitrides or oxides such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), SnO 2 may be used. Good. In addition, solder, silver solder, conductive paste, or the like is used as the electrode. Further, Al, Ti, Ta, or the like may be provided as an intermediate layer in order to reduce contact resistance between the first electrode and the second electrode and Sr 5 Nb 5 O 17 .
上記のように電極が設けられた傾斜結晶片に対し、放熱体53を接続することで放射検出器を構成できる。この際、放熱体53と傾斜結晶片42との接続面は、Sr5Nb5O17のa軸とのなす角度がαである面である。放熱体53と傾斜結晶片42との接続部は電気的に絶縁されていることが好ましい。
A radiation detector can be configured by connecting the
放熱体53には電気的に絶縁性を有するアルミナ、窒化アルミ、窒化硼素などからなるセラミクスまたは単結晶を用いることができる。また絶縁体によってコーティングされた銅、アルミ、ステンレス、チタンなどを用いることもできる。
The
このように作製される放射検出器の、放熱体を配置しない側の面に対して入射光54が入射すると、傾斜結晶片42の厚み方向に温度差が付き、異方熱電効果により第1電極51と第2電極52の間に起電圧が発生する。この起電圧を読み取ることで入射光54の検出が可能となる。
When the
(実施の形態4)
図6を用いながら本実施の形態の放射検出器の構成について説明する。
(Embodiment 4)
The configuration of the radiation detector according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
本実施の形態の放射検出器は、実施の形態2に記載した方法で単結晶基板62の上に作製されるSr5Nb5O17の結晶配向薄膜61の上に第1電極63および第2電極64を作製することにより構成できる。
The radiation detector of the present embodiment includes a
第1電極63および第2電極64には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いる。また、第1電極および第2電極とSr5Nb5O17との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。
For the
このように作製される放射検出器の、傾斜配向薄膜61の側の表面に対して当てられた入射光65は傾斜配向薄膜61によって吸収され、膜厚方向に温度差が付き、異方熱電効果により第1電極63と第2電極64の間に起電圧が発生する。この起電圧を読み取ることで入射光65の検出が可能となる。
(実施の形態5)
図7のように、実施の形態3で説明した放射検出器と同様の構成に、集熱体75を接続することで発電デバイスを構成できる。
(Embodiment 5)
As shown in FIG. 7, a power generation device can be configured by connecting a
本実施の形態における放熱体74および集熱体75は実施の形態3における放熱体53と同様に、傾斜結晶片71との接合面において電気的に絶縁された状態で熱的に接続することが好ましい。
The
放熱体74および集熱体75には電気的に絶縁性を有するアルミナ、窒化アルミ、窒化硼素などを用いることができる。また絶縁体によってコーティングされた銅、アルミ、ステンレス、チタンなどを用いることもできる。
For the
第1電極72と第2電極73との距離を傾斜結晶片71の厚みで除したアスペクト比を大きくするために、傾斜結晶片42の厚みが薄いことが好ましい。具体的には傾斜結晶片42の厚みは1mm以下であることが好ましい。
In order to increase the aspect ratio obtained by dividing the distance between the
一方で、発電の際には熱源と集熱体75との間の熱伝達および冷却媒体と放熱体74との間の熱伝達は固体接触、流体による接触あるいは気体との接触など様々な方式が用いられるので、傾斜結晶片の厚みが薄すぎた場合には傾斜結晶片71に対して効率よく温度差を加えることが困難になる。従って効率よく発電を行うためには傾斜結晶片71の厚みは10μm以上であることが好ましい。
On the other hand, during power generation, heat transfer between the heat source and the
(実施の形態6)
図8を用いて、本実施の形態の放射検出器の構成を説明する。
(Embodiment 6)
The configuration of the radiation detector according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
実施の形態1に記載したのと同様の方法でSr5Nb5O17の単結晶を作製し、これを刃物にて劈開および切断し平板状の結晶片81を切り出す。この際結晶片81のもっとも広い面はSr5Nb5O17のc軸に対してほぼ垂直であることが好ましい。また、図8において結晶片81は直方体状になっているが、c軸にほぼ垂直な表面を有する平板状であれば良いので直方体に限らず円板や多角形状の板など様々な形状にすることができる。
A single crystal of Sr 5 Nb 5 O 17 is prepared by the same method as described in
次に結晶片81の表面に電極を作製する。この際結晶片81の中央部に関して対向するように配置された電極82aと電極82bあるいは電極83aと電極83bの対向する向きが、Sr5Nb5O17のa軸およびb軸に対して傾斜している。前記傾斜の角度は30°以上60°以下であることが好ましく、45°であることが最も好ましい。この理由は、式(1)にも示すよう、異方熱電効果によって発生する起電圧が、sin2αに比例し、45°で最大になるためである。
Next, an electrode is formed on the surface of the
検出対象である光は結晶片81の中央部付近の光照射領域84に照射されるが、Sr5Nb5O17のゼーベック係数および熱伝導率がa軸およびb軸に関して異方性を有するためab面内において異方熱電効果が生じる。これにより対向する電極間で起電圧が発生し、放射検出を行うことができる。
The light to be detected is irradiated to the
電極には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いる。また、電極とSr5Nb5O17との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。 It is preferable to use a material having excellent conductivity for the electrode. For example, metals such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, In, or nitrides or oxides such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), SnO 2 may be used. Good. In addition, solder, silver solder, conductive paste, or the like is used as the electrode. Further, Al, Ti, Ta, or the like may be provided as an intermediate layer in order to reduce the contact resistance between the electrode and Sr 5 Nb 5 O 17 .
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, more specific examples of the present invention will be described.
本発明の熱電変換材料Sr5Nb5O17を赤外線集中加熱式フローティングゾーン法によって作製した。まず、化学量論比において原料となる炭酸ストロンチウムと五酸化二二オブを1:1となるように秤量・混合し、アルゴン気流中において1400℃において20時間の焼成を行った。次に得られた粉末を円柱棒状に成型して再度アルゴン気流中において1400℃で20時間の焼成を行った。次に得られた原料棒を用い、フローティングゾーン法によって水素(3%)を含むアルゴン気流中において溶融体を8mm/Hrで移動させ、a軸方向に20mm、b軸方向に4mm、c軸方向に1mmの結晶を作製した。得られた結晶の一部を粉末状に粉砕し、X線回折による構造評価を行った。その結果、図9に示すようなSr5Nb5O17のピークパターンが観測された。また全てのピークで指数付けが可能であり、試料が単相であることを確認した。 The thermoelectric conversion material Sr 5 Nb 5 O 17 of the present invention was produced by an infrared concentrated heating type floating zone method. First, strontium carbonate and niobium pentoxide as raw materials in a stoichiometric ratio were weighed and mixed so as to have a ratio of 1: 1, and baked at 1400 ° C. for 20 hours in an argon stream. Next, the obtained powder was molded into a cylindrical bar shape and fired again at 1400 ° C. for 20 hours in an argon stream. Next, using the obtained raw material rod, the melt was moved at 8 mm / Hr in an argon stream containing hydrogen (3%) by the floating zone method, 20 mm in the a-axis direction, 4 mm in the b-axis direction, and c-axis direction. A 1 mm crystal was prepared. A part of the obtained crystal was pulverized into a powder and subjected to structural evaluation by X-ray diffraction. As a result, a peak pattern of Sr 5 Nb 5 O 17 as shown in FIG. 9 was observed. Moreover, indexing was possible for all peaks, and it was confirmed that the sample was a single phase.
上記方法について作製した試料の熱・電気伝導特性の評価を行った。電気抵抗率の測定には4端子法を用いた。試料の成型には精密切断機を用いてa軸およびb軸方向に4mm、c軸方向に0.75mmに切り出し、測定を行った。試料上の電極としてはクロムを接着層として用いた金電極を選択し、スパッタリング法を用いて作成した。ゼーベック係数・熱伝導率の測定には定常法を用いた。測定試料としては精密切断機によって切断・成型した試料を用い、電気・熱の信号を取り出すために測定試料の上・底面にアルミニウムを接着層とする金電極を作成した。その後、銅製の平面板上に常温で硬化する銀ペーストで試料を固定した。上部端子にはヒーター及び高温側温度計、下部端子には熱浴及び低温側温度計が接続されている。測定治具はヒーターで生じた熱が最上のリードバーを介して試料に流れ込み、同様に最下の熱浴に吸熱されるという構成を取っている。試料における最上下間の2つの異なる温度は平面板に取り付けた温度計で読み取り、常時温度差をモニターできる。ゼーベック係数を測定するには温度計付近での起電力と温度差が分れば測定が可能となる。熱伝導率は断面積・温度勾配に比例し、熱が流れる方向の長さに反比例する物理量である。よって熱伝導率はヒーターを用いて熱流を発生させ、温度計間の試料の断面積・長さ・温度差で規格化する。また熱伝導率の測定においては測定治具及び試料からの周囲気体を介した熱放射が大きくなると正確な測定を行うことが出来ない。よって熱量が測定治具・試料表面から極力逃げないように10-2Pa程度の真空中で測定した。 The thermal and electrical conductivity characteristics of the samples prepared for the above method were evaluated. The 4-terminal method was used for measuring the electrical resistivity. For the molding of the sample, a precision cutting machine was used to cut it to 4 mm in the a-axis and b-axis directions and to 0.75 mm in the c-axis direction and measured. A gold electrode using chromium as an adhesive layer was selected as the electrode on the sample, and was prepared using a sputtering method. A stationary method was used to measure the Seebeck coefficient and thermal conductivity. A sample cut and molded by a precision cutting machine was used as a measurement sample, and gold electrodes having aluminum as an adhesive layer were formed on the top and bottom surfaces of the measurement sample in order to take out electrical and thermal signals. Thereafter, the sample was fixed on a copper flat plate with a silver paste that hardened at room temperature. A heater and a high temperature side thermometer are connected to the upper terminal, and a heat bath and a low temperature side thermometer are connected to the lower terminal. The measuring jig is configured such that heat generated by the heater flows into the sample through the uppermost lead bar and is similarly absorbed by the lowermost heat bath. Two different temperatures between the top and bottom of the sample can be read with a thermometer attached to a flat plate, and the temperature difference can be monitored constantly. In order to measure the Seebeck coefficient, if the electromotive force and the temperature difference near the thermometer are known, the measurement can be performed. Thermal conductivity is a physical quantity that is proportional to the cross-sectional area and temperature gradient and inversely proportional to the length of the direction in which heat flows. Therefore, the heat conductivity is normalized by the cross-sectional area, length, and temperature difference of the sample between thermometers by generating heat flow using a heater. In the measurement of thermal conductivity, accurate measurement cannot be performed if thermal radiation from the measurement jig and the sample through the surrounding gas increases. Therefore, the heat quantity was measured in a vacuum of about 10 -2 Pa so as not to escape from the measuring jig / sample surface as much as possible.
こうして測定した熱伝導率κ、ゼーベック係数S、電気抵抗率ρの室温以下の温度依存性を図10に示す。いずれの特性も結晶軸によって大きな異方性を示すことを確認した。電気抵抗率の温度依存性は定性的には非特許文献4で開示されているデータに類似したものとなった。本実施例にて初めて明らかになったゼーベック係数も大きな異方性を示し、室温付近ではa軸方向に-10μV/K程度なのに対し、b軸方向では-55μV/K、c軸方向では-70μV/Kであることが判明した。すなわちゼーベック係数の異方性はa軸方向とb軸方向との間でΔS~45μV/K、a軸方向とc軸方向との間でΔS~60μV/Kもの大きな値となった。 FIG. 10 shows the temperature dependence of the measured thermal conductivity κ, Seebeck coefficient S, and electrical resistivity ρ below room temperature. It was confirmed that all the characteristics showed large anisotropy depending on the crystal axis. The temperature dependence of the electrical resistivity is qualitatively similar to the data disclosed in Non-Patent Document 4. The Seebeck coefficient first revealed in the present example also shows a large anisotropy, which is about -10 μV / K in the a-axis direction near room temperature, while -55 μV / K in the b-axis direction and -70 μV in the c-axis direction. Turned out to be / K. That is, the anisotropy of the Seebeck coefficient was as large as ΔS˜45 μV / K between the a-axis direction and the b-axis direction and ΔS˜60 μV / K between the a-axis direction and the c-axis direction.
本発明の熱電変換材料Sr5Nb5O17の結晶配向性薄膜をスパッタ法にて作製した。 A crystal orientation thin film of the thermoelectric conversion material Sr 5 Nb 5 O 17 of the present invention was produced by sputtering.
基板は10mm角、厚さ500μmのSrTiO3単結晶で、面方位は(001)面から10°傾斜したものを使用した。この基板の上に直径4インチのSr5Nb5O17焼結体ターゲットを用いたRFマグネトロンスパッタリングにより薄膜作製を行った。 The substrate was a 10 mm square, 500 μm thick SrTiO 3 single crystal with a plane orientation inclined 10 ° from the (001) plane. A thin film was formed on this substrate by RF magnetron sputtering using a Sr 5 Nb 5 O 17 sintered compact target having a diameter of 4 inches.
Arが97%、H2が3%の雰囲気ガスを1.0Paに保ち、出力100Wで1時間プレスパッタリングをした後、700℃に加熱した基板上にプレスパッタリングの時と同様の条件で5時間堆積を行い、その後2時間かけて室温まで冷やした結果、膜厚1μmの薄膜が得られた。 Pre-sputtering is performed for 1 hour at an output of 100 W with an atmosphere gas of 97% Ar and 3% H 2 , and then deposited on a substrate heated to 700 ° C. for 5 hours under the same conditions as pre-sputtering. As a result of cooling to room temperature over 2 hours, a thin film having a thickness of 1 μm was obtained.
エネルギー分散型蛍光X線分析により、薄膜におけるSrとNbとの組成比がほぼ1:1であることを確認した。また、X線回折による極点図測定により、Sr5Nb5O17のa軸は基板面に対して約12°傾斜していることがわかった。 It was confirmed by energy dispersive X-ray fluorescence analysis that the composition ratio of Sr and Nb in the thin film was approximately 1: 1. Further, pole figure measurement by X-ray diffraction revealed that the a-axis of Sr 5 Nb 5 O 17 was inclined by about 12 ° with respect to the substrate surface.
実施例1で作製したSr5Nb5O17の結晶を用いて、放射検出器を作製した。 A radiation detector was produced using the Sr 5 Nb 5 O 17 crystal produced in Example 1.
まずSr5Nb5O17の結晶を図4に示すように精密切断機で切り出し、ab面内に4mm×0.5mm、c軸方向に1mm、傾斜角度αが45°の傾斜結晶片を得た。この傾斜結晶片の0.5mm×1mmの2面にチタン、金の順にスパッタ法により電極を作製した。 First, a crystal of Sr 5 Nb 5 O 17 was cut out with a precision cutting machine as shown in FIG. 4 to obtain an inclined crystal piece having an in-plane of 4 mm × 0.5 mm, 1 mm in the c-axis direction, and an inclination angle α of 45 °. . Electrodes were prepared on the two sides of this inclined crystal piece of 0.5 mm × 1 mm by sputtering in the order of titanium and gold.
次に傾斜結晶片を厚さ500μmの窒化アルミ板の上にアピエゾングリースを用いて固定し、図5に示すような放射検出器を作製した。 Next, the tilted crystal piece was fixed on an aluminum nitride plate having a thickness of 500 μm using Apiezon grease, and a radiation detector as shown in FIG. 5 was produced.
上記放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ(波長800-2000nm、パワー480mW)から発生させた電磁波を図5の入射光54と同様の向きから試料の中央部に入射させ(スポット径3mm)、電極間に発生する起電圧を測定することで、放射検出器の評価を行った。 Electromagnetic waves generated from an infrared lamp (wavelength 800-2000 nm, power 480 mW) are incident on the center of the sample from the same direction as the incident light 54 in FIG. 5 (spot diameter 3 mm) on the surface of the radiation detector. The radiation detector was evaluated by measuring the electromotive voltage generated between the electrodes.
デバイスにランプからの電磁波が入射していないときには、電極間の起電圧は発生しなかったが、デバイスに電磁波が入射すると、急激に増加し、定常的に約1.8mVの値を示した。ランプの入射をやめると、起電圧は発生しなくなった。以上の実験結果から、本実施例の放射検出器の感度は3.8mV/Wと見積もられた。 When the electromagnetic wave from the lamp was not incident on the device, no electromotive voltage was generated between the electrodes, but when the electromagnetic wave was incident on the device, it rapidly increased and showed a constant value of about 1.8 mV. When the incidence of the lamp was stopped, no electromotive voltage was generated. From the above experimental results, the sensitivity of the radiation detector of this example was estimated to be 3.8 mV / W.
非特許文献1に開示されているCaxCoO2薄膜では、480mWの電磁波に対して、110mVの起電力の発生が確認されており、感度は0.23mV/Wになる。従って、今回のSr5Nb5O17素子からなる放射検出器と、従来までのCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器とを比較すると、今回のSr5Nb5O17素子からなる放射検出器では、約16倍の感度向上が達成されたことになる。
In the Ca x CoO 2 thin film disclosed in
実施例2にて10mm角のSrTiO3単結晶基板上に膜厚1μmで作製したSr5Nb5O17薄膜の表面に電極を設け、図6と同様の構成の放射検出器を作製した。 In Example 2, an electrode was provided on the surface of the Sr 5 Nb 5 O 17 thin film formed to a thickness of 1 μm on the 10 mm square SrTiO 3 single crystal substrate, and a radiation detector having the same configuration as FIG. 6 was manufactured.
2つの電極はタンタル、白金の順にスパッタ法で作製した。2つの電極の対向方向は、図6のようにSr5Nb5O17のa軸を薄膜表面に投影した時の向きに平行になるよう配置した。電極の大きさは1mm角とし、2つの電極間の距離は6mmとした。 The two electrodes were produced by sputtering in the order of tantalum and platinum. The opposing direction of the two electrodes was arranged to be parallel to the direction when the a-axis of Sr 5 Nb 5 O 17 was projected onto the thin film surface as shown in FIG. The size of the electrode was 1 mm square, and the distance between the two electrodes was 6 mm.
上記放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ(波長800-2000nm、パワー480mW)から発生させた電磁波を図6の入射光65と同様の向きから試料の中央部に入射して(スポット径5mm)、電極間に発生する起電圧を測定することで放射検出器の評価を行った。 On the surface of the radiation detector, electromagnetic waves generated from an infrared lamp (wavelength 800-2000 nm, power 480 mW) are incident on the center of the sample from the same direction as the incident light 65 in FIG. 6 (spot diameter 5 mm). ), The radiation detector was evaluated by measuring the electromotive voltage generated between the electrodes.
放射検出器にランプからの電磁波が入射していないときには、電極間の起電圧は発生しなかったが、電磁波が入射すると起電圧は急激に増加し、定常的に約0.17mVの値を示した。ランプの入射をやめると、起電圧は発生しなくなった。以上の実験結果から、本実施例の放射検出器の感度は0.35mV/Wと見積もられた。これは非特許文献1のCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器と比較して約1.5倍の感度であった。
When the electromagnetic wave from the lamp was not incident on the radiation detector, no electromotive voltage was generated between the electrodes, but when the electromagnetic wave was incident, the electromotive voltage increased rapidly and showed a constant value of about 0.17 mV. . When the incidence of the lamp was stopped, no electromotive voltage was generated. From the above experimental results, the sensitivity of the radiation detector of this example was estimated to be 0.35 mV / W. This was about 1.5 times more sensitive than the radiation detector consisting of the Ca x CoO 2 thin film element of
実施例1にて作製したSr5Nb5O17試料を用いて発電デバイスを作製した。 A power generation device was produced using the Sr 5 Nb 5 O 17 sample produced in Example 1.
まずSr5Nb5O17結晶を図4に示すように精密切断機で切り出し、ab面内に4mm×0.8mm、c軸方向に1mm、傾斜角度αが10°の傾斜結晶片を得た。この傾斜結晶片の1mm角の2面にチタン、金の順にスパッタ法により電極を作製した。 First, the Sr 5 Nb 5 O 17 crystal was cut out with a precision cutting machine as shown in FIG. 4 to obtain a tilted crystal piece having a size of 4 mm × 0.8 mm in the ab plane, 1 mm in the c-axis direction, and a tilt angle α of 10 °. Electrodes were produced on two 1 mm square surfaces of the tilted crystal piece by sputtering in the order of titanium and gold.
厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンクを2個用いて傾斜積層体を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図7に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンクの内部には銅パイプが埋め込まれており、パイプに冷水を流すことによりヒートシンクを冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンクを加熱することができるようになっている。 Using two copper heat sinks coated with 1 μm thick aluminum nitride, the inclined laminate was sandwiched and fixed with Apiezon grease to produce a power generation device as shown in FIG. A copper pipe is embedded inside the copper heat sink, and the heat sink can be cooled by flowing cold water through the pipe, and the heat sink can be heated by flowing hot water through the pipe. .
銅製ヒートシンクの一方に15℃の冷水を流し、他方に65℃の温水を流すことによって発電デバイスに温度差をつけたところ、電極間から最大1.8mWの電力を取り出すことができた。 When a temperature difference was created in the power generation device by flowing cold water of 15 ° C on one side of the copper heat sink and hot water of 65 ° C on the other side, power of up to 1.8mW could be extracted from between the electrodes.
実施例1にて作製したSr5Nb5O17試料を6mm(a軸)×6mm(b軸)×1mm(c軸)サイズに成形した。この試料の表面にクロム、金の順にスパッタ法にて2対の電極(合計4個)を作製した。作製した電極は図8に示したような配置となっていて、試料中央に関して対向した電極対の対向方向が試料表面においてa軸に対して45°傾斜している。こうして図8に示したのと同様の放射検出器を得た。電極対の距離は5mmとした。ただし、この電極対の距離は用途や設置場所などに応じて最適化でき、5mmに限定されるものではない。 The Sr 5 Nb 5 O 17 sample produced in Example 1 was molded into a size of 6 mm (a axis) × 6 mm (b axis) × 1 mm (c axis). Two pairs of electrodes (4 in total) were prepared on the surface of this sample in the order of chromium and gold by sputtering. The produced electrodes are arranged as shown in FIG. 8, and the facing direction of the opposed electrode pair with respect to the center of the sample is inclined by 45 ° with respect to the a axis on the sample surface. In this way, a radiation detector similar to that shown in FIG. 8 was obtained. The distance between the electrode pair was 5 mm. However, the distance between the electrode pairs can be optimized according to the application and installation location, and is not limited to 5 mm.
上記放射検出器の表面の中央部に、表面からレーザー光(波長800nm、パワー225mW)を入射させ(スポット径5mm)、電極間に発生する起電力を測定した。2対の電極対についてどちらの場合にもレーザー光が試料に入射していないときには起電力は観測されないものの、レーザー光が入射すると起電力は急激に増加し、定常的に約0.4mVの値を示した。この結果を元に、Sr5Nb5O17放射検出素子の感度を見積もると、1.8mV/Wが得られる。これは非特許文献1のCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器と比較して約7.8倍の感度であった。
Laser light (wavelength 800 nm, power 225 mW) was incident on the center of the surface of the radiation detector (spot diameter 5 mm), and the electromotive force generated between the electrodes was measured. In both cases, the electromotive force is not observed when the laser beam is not incident on the sample, but the electromotive force increases rapidly when the laser beam is incident. Indicated. Based on this result, when the sensitivity of the Sr 5 Nb 5 O 17 radiation detection element is estimated, 1.8 mV / W is obtained. This was about 7.8 times the sensitivity of the radiation detector composed of the Ca x CoO 2 thin film element of
本発明にかかる異方的熱電材料は、結晶成長が比較的容易な層状構造に沿った方向に大きなゼーベック係数の異方性を有し、高感度の放射検出器や高い起電圧を有する発電デバイスの材料として有用である。 An anisotropic thermoelectric material according to the present invention has a large Seebeck coefficient anisotropy in a direction along a layered structure in which crystal growth is relatively easy, and a highly sensitive radiation detector and a power generation device having a high electromotive voltage It is useful as a material.
31 結晶配向薄膜
32 単結晶基板
33 a軸方向
34 基板面
41v 板状の結晶
42 傾斜結晶片
51 第1電極
52 第2電極
53 放熱体
54 入射光
61 結晶配向薄膜
62 単結晶基板
63 第1電極
64 第2電極
65 入射光
71 傾斜結晶片
72 第1電極
73 第2電極
74 放熱体
75 集熱体
81 結晶片
82a 電極
82b 電極
83a 電極
83b 電極
84 光照射領域
31 Crystal
Claims (6)
c軸方向に5層のNbO6八面体からなるブロック層が周期的に積層してなる層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、
a軸方向のゼーベック係数と、a軸に対して垂直方向のゼーベック係数との差の絶対値が40μV/K以上であることを特徴とする異方的熱電材料。 It is represented by the chemical formula Sr 5 Nb 5 O 17
It has a layered perovskite type crystal structure in which block layers consisting of five layers of NbO 6 octahedrons are periodically stacked in the c-axis direction,
An anisotropic thermoelectric material characterized in that the absolute value of the difference between the Seebeck coefficient in the a-axis direction and the Seebeck coefficient in the direction perpendicular to the a-axis is 40 μV / K or more.
第1電極および第2電極と、
前記基板上に配置された請求項1に記載の異方的熱電材料とからなり、
前記異方的熱電材料のa軸方向が前記基板面に対して傾斜していて、
前記第1電極および第2電極は前記a軸を前記基板面に投影した際の向きに沿って対向して配置され、
前記第1電極および第2電極は前記異方的熱電材料を挟み込むように電気的に接続されていることを特徴とする放射検出器。 A substrate,
A first electrode and a second electrode;
The anisotropic thermoelectric material according to claim 1 disposed on the substrate,
The a-axis direction of the anisotropic thermoelectric material is inclined with respect to the substrate surface,
The first electrode and the second electrode are arranged to face each other along the direction when the a-axis is projected onto the substrate surface,
The radiation detector, wherein the first electrode and the second electrode are electrically connected so as to sandwich the anisotropic thermoelectric material.
請求項2に記載の放射検出器。 The average thickness of the anisotropic thermoelectric material in the normal direction of the substrate is 1 mm or less,
The radiation detector according to claim 2.
第1電極および第2電極と、
前記集熱体および放熱体に鋏まれるように熱的に接続された請求項1に記載の異方的熱電材料とからなり、
前記異方的熱電材料のa軸方向が、前記異方的熱電材料と前記集熱体または前記放熱体との接続面に対して傾斜していて、
前記第1電極および第2電極は前記a軸を前記集熱体または放熱体との接続面に投影した際の向きに沿って対向して配置され、
前記第1電極および第2電極は前記異方的熱電材料を挟み込むように電気的に接続されていることを特徴とする発電デバイス。 A heat collector and a radiator,
A first electrode and a second electrode;
The anisotropic thermoelectric material according to claim 1, which is thermally connected so as to be sandwiched between the heat collector and the heat radiating body,
The a-axis direction of the anisotropic thermoelectric material is inclined with respect to a connection surface between the anisotropic thermoelectric material and the heat collector or the heat radiator,
The first electrode and the second electrode are disposed to face each other along the direction when the a-axis is projected onto the connection surface with the heat collector or heat radiator,
The power generation device, wherein the first electrode and the second electrode are electrically connected so as to sandwich the anisotropic thermoelectric material.
前記異方的熱電材料の表面に配置された1対以上の電極対とからなり、
前記平板状の異方的熱電材料の法線と前記異方的熱電材料のc軸方向はほぼ平行であり、
前記電極対の対向方向が前記異方的熱電材料のa軸に対して傾斜していることを特徴とする放射検出器。 The anisotropic thermoelectric material according to claim 1 having a plate shape,
Consisting of one or more electrode pairs disposed on the surface of the anisotropic thermoelectric material,
The normal line of the flat anisotropic thermoelectric material and the c-axis direction of the anisotropic thermoelectric material are substantially parallel,
A radiation detector, wherein the opposing direction of the electrode pair is inclined with respect to the a-axis of the anisotropic thermoelectric material.
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US9082551B2 (en) * | 2011-05-19 | 2015-07-14 | National Institute For Materials Science | High dielectric nanosheet laminate, high dielectric element and method for producing the same |
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