JP2011192914A - 金属ナノ材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Bi、Sb及びTeの塩のうち、少なくとも一種以上を溶解した溶液に還元剤と保護剤とを添加し、化学合成することで、ナノ粒子状、ナノディスク状、ナノワイヤー状に成長させる。還元剤としては水素化ホウ素アルカリ金属塩、第1級又は第2級アルコールを用い、保護剤としてはそれぞれ脂肪族の、酸、アミン及びチオールのうちから選択する。合成されたナノ材料は適宜、直接的に焼結又は、塗布後に焼成することで熱電特性を発現する。
【選択図】図1
Description
ZT=α2σT/κ (1)
(α:ゼーベック係数、σ:電気伝導率、κ:熱伝導率、T:温度)
この(1)式からZTの値を高くするには、電気伝導率を向上させ、熱伝導率を低く抑えるのがよいことが判る。
しかしながら、一般的に電気伝導率の向上と熱伝導率の低下は相反する要因であり、これを同時に達成するにはキャリア散乱を抑制し、フォノン散乱を増大させる熱電材料が要求される。
その方策の1つとして、ナノ構造制御された熱電材料が期待されている。
しかし、従来のナノ熱電材料は、分子線エピタキシー法等の複雑且つ高価な気相合成によって作成されており、実用化に適していない。
非特許文献1には、p型Bi0.5Sb1.5Te3の金属ナノ粒子の化学合成について報告しているが、平均粒径44nmと大きく、また粒子分布も±10nmと広い。
従って、Bi2Te3の励起子ボーア半径(P型40nm)を考慮すると前記Bi0.5Sb1.5Te3金属ナノ粒子は粒径が大きいために強い量子閉じ込め効果が充分にあるとは言い難い。
その結果、半導体ナノ粒子の配列構造において、単一ナノ粒子には無い新規な蛍光強度増大現象を見い出した。
((a) S. Maenosono, Chem. Phys. Lett. 376 (2003) 666; (b) J. Kimura, T. Uematsu, S. Maenosono and Y. Yamaguchi J. Phys. Chem. B 108 (2004) 13258; (c) S. Maenosono, Chem. Phys. Lett. 405 (2005) 182; (d) T. Uematsu, S. Maenosono and Y. Yamaguchi, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 8613; (e) T. Uematsu, S. Maenosono and Y. Yamaguchi, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 31910)
この蛍光強度増大現象は、単一ナノ粒子の持つ量子閉じ込め効果と粒子配列における量子力学的相互作用によるものであることも明らかにした。
この実績から熱電材料においても例えば粒径を10nm以下レベルに制御し、超格子構造を創製できれば単一金属ナノ粒子の量子サイズ効果(電子状態密度の離散化)と超格子構造における粒子間相互作用(electronic couplingによる高キャリア移動度) により高いZT値が得られると考え本発明に至った。
Bi、Sb及びTeの塩は、反応系に用いる溶媒(混合溶媒を含む。)に溶解し、ビスマスイオン、アンチモンイオン、テルルイオンを生成するものであれば、特に限定が無いが、入手の容易さからすれば、塩化物がよい。
合成したい金属ナノ材料が3元系合金材料であれば、Bi、Sb及びTeのいずれの塩も溶解することになるが、例えば、BixTeyの2元系合金ナノ材料を合成する場合には、Bi及びTeの塩を溶解すればよい。
脂肪族には直鎖、分岐鎖を問わず、飽和脂肪族、不飽和脂肪族が含まれる。
特に直鎖の脂肪族の1,2−ジオールであるのが還元性に優れ、本実施例では1,2−ヘキサデカンジオールを用いた。
また、水素化ホウ素アルカリ金属塩の実施例としては水素化ホウ素ナトリウムを用いた。
これらの保護剤はそれぞれ単独で用いても組み合わせて用いてもよいが、特に脂肪酸と脂肪アミンとを組み合わせるのがよい。
脂肪族には直鎖、分岐鎖を問わず、飽和脂肪族、不飽和脂肪族が含まれる。
特に1−アルキルカルボン酸、1−アルキルアミン及び1−アルキルチオールのうち、いずれか1種以上であるのが好ましい。
本実施例ではオレイン酸、オレイルアミン及び1−オクタンチオールを用いた。
また、本発明にて得られた金属ナノ材料BixSbyTe100−x−yは、インク等の塗布剤となる溶液中に分散させることでインクジェット法やスクリーン印刷法等にて熱電素子を製造することができる。
本発明に係るナノ材料は、ナノ粒子状、ナノディスク状、ナノワイヤー状に成長する。
また、本発明に係るナノ材料は適宜、直接的に焼結又は、塗布後に焼成することで熱電特性を発現する。
これにより、図1に示すように平均粒径2nm,Bi36Sb40Te24ナノ粒子が得られた。
還元剤として1,2−ヘキサデカンジオール:0.4100g、
保護剤としてオレイン酸:0.16ml,オレイルアミン:0.17mlを25.0mlのジオクチルエーテルに溶解した。
アルゴンガス雰囲気下、大気圧にて100℃×10分間、加熱した。
溶液の色がライトグレーからブラウンに変色した後にさらにブラックグレー色になるまで200℃×1時間加熱した。
次に溶液を室温まで冷却し、生成物をエタノール中に沈澱回収し、ヘキサンに分散させた。
その結果、図2に示すようなナノワイヤーが得られ、TGA熱解析すると図3に示すようなチャートが得られた。
XRD分析の結果、このナノワイヤーはBi0.6Sb52.1Te47.3の構造式で示された。
その反応スキームを図4に示す。
還元剤として1,2−ヘキサデカンジオール:0.3927g、
保護剤として1−オクタンチオール:0.33mlを25mlのジオクチルエーテルに溶解し、実施例2と同様に反応させた。
その結果、図5に示すようなナノディスク状の金属ナノ材料が得られた。
TGA解析チャートを図6に示す。
反応スキームを図7に示す。
得られたナノディスクはXRD分析の結果、構造式でBi50.3Sb1.7Te48.0で示され、薄さ:〜25nm,大きさ:〜100nmのディスク状であった。
実施例2と3を比較すると、保護剤により生成されるナノ材料の形状が相違し、保護剤がオレイン酸とオレイルアミンの場合にBiの割合が少なく、保護剤が1−オクタンチオールの場合にはSbの割合が少なかった。
第1ステップとして、BiCl3:0.1576g、1−デカンチオール:1.5ml、1,2−ヘキサデカンジオール:0.39gを25mlのジオクチルエーテルに溶解し、105℃で10分間保持した後に200℃まで昇温し、1時間反応させた。
その後に50℃まで冷却し、エタノールを加えナノワイヤーを分離した。
エタノールで3回洗浄し、39mgのナノワイヤーが得られた。
第1ステップの反応により、図9に示すように径50〜250nmのナノワイヤーが得られた。
第1ステップで得られたナノワイヤー13mgを、SbCl3:0.038g、TeCl4:0.045g、オレイン酸:0.16ml、オレイルアミン:0.17ml、1,2−ヘキサデカンジオール:0.39gのジオクチルエーテル25ml溶液に混合し、105℃で10分間保持した後に200℃まで昇温し、1時間反応させた。
その後50℃まで冷却し、エタノールを加えナノワイヤーを分離した。
第2ステップの反応により図10に示すようなワイヤーの側面に小さなロッドが形成されたナノワイヤーが得られた。
上記実施例4にて得られたナノワイヤーを用いて温度350℃、印加圧力40MPaにて焼結した焼結体のSEM像例を図11に示す。
ナノワイヤー構造が保持されているのが分かる。
この焼結体のゼーベック係数αを測定したところ、α=−62〜−72μV/Kであった。
従って、n型熱電性能を有することが明らかになった。
次にこの実施例4にて得られたナノワイヤーを溶液に超音波分散させ、これをアルミナ基板上に塗布し、アルゴンガスを流した電気炉中で加熱処理した。
その結果、加熱条件が350℃×30分ではα=127μV/K、400℃×30分ではα=211μV/K、450℃×30分ではα=27μV/Kの値が得られた。
加熱温度400℃のときのSEM像を図12に示す。
この結果、p型熱電特性を示すことが明らかになった。
また、本発明に係る金属ナノ材料は塗布後に加熱処理することで熱電特性を示すことから、スクリーン印刷やインクジェット法等の塗布剤として使用することができる。
Claims (9)
- Bi、Sb及びTeの塩のうち、少なくとも一種以上を溶解した溶液に還元剤と保護剤とを添加し、化学合成することを特徴とする金属ナノ材料の製造方法。
- 還元剤は、水素化ホウ素アルカリ金属塩、ジボラン、ヒドラジン、水素又は、炭素数6〜24の脂肪族の第1級又は第2級アルコールのいずれか1種以上であることを特徴とする請求項1記載の金属ナノ材料の製造方法。
- 還元剤は、脂肪族の1,2−ジオールであることを特徴とする請求項2記載の金属ナノ材料の製造方法。
- 保護剤は炭素数6〜24の脂肪族の、酸、アミン及びチオールのうち、いずれか1種以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の金属ナノ材料の製造方法。
- 保護剤は1−アルキルカルボン酸、1−アルキルアミン及び1−アルキルチオールのうち、いずれか1種以上であることを特徴とする請求項4記載の金属ナノ材料の製造方法。
- 還元剤は1,2−ヘキサデカンジオールであり、保護剤はオレイン酸、オレイルアミン及び1−オクタンチオールのうち、いずれか1種以上であることを特徴とする請求項1記載の金属ナノ材料の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれかの方法で製造されたことを特徴とするBixSbyTe100−x−yナノ材料(x、yはトータル100に対する構成比率を示す。)。
- 請求項7記載のBixSbyTe100−x−yナノ材料を用いたことを特徴とする熱電材料。
- 請求項7記載のBixSbyTe100−x−yナノ材料を用いたことを特徴とする熱電素子製造用塗布剤。
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