JP2011210845A - BULK TYPE MANGANESE SILICIDE SINGLE CRYSTAL OR POLYCRYSTAL DOPED WITH Ga OR Sn, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive bulk type manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn that is effectively used as a thermoelectric conversion material, an optical sensor, an optical element, etc., expected to have a high performance index at an intermediate temperature of approximately 300 to 600°C, and to provide a method of manufacturing the same in which the manufacture is easily and safely achieved in a short time.SOLUTION: The problem is solved with the bulk type manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn characterized in being expressed by formula (1) or formula (2). Formula (1): Mn11Si19-xGax [where x is larger than 0 and equal to or less than 0.1]; and formula (2): Mn4 Si7-y Sny [where y is larger than 0 and equal to or less than 0.1].

Description

本発明は、GaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体およびその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、高い性能指数が期待できるP型熱電変換材料や光センサ、光学素子などとして有効利用できる安価なGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a bulk manganese silicide single crystal or polycrystalline body doped with Ga or Sn, and a method for producing the same, and more particularly, a P-type thermoelectric conversion material and an optical sensor that can be expected to have a high performance index, The present invention relates to an inexpensive Ga or Sn-doped bulk manganese silicide single crystal or polycrystal that can be effectively used as an optical element or the like, and a method for manufacturing the same.

近年、省エネルギー社会に向けて、工場設備や発電設備などから生じる廃熱を利用した発電システムの開発が活発化している。特に、産業廃棄物の増加などに伴って、これらを焼却する際に生じる廃熱の有効利用が課題となっている。例えば、大型廃棄物焼却設備では、廃熱でボイラーを焚き、蒸気タービンにより発電するなどの廃熱回収が行われているが、大多数を占める中・小型廃棄物焼却設備では、スケールメルット依存性が高いためにタービンにより発電する方法が採れない。
従って、このような排熱を利用した発電方法としてスケールメリット依存性の無い、ゼーベック効果あるいはペルチェ効果を利用して可逆的に熱電変換を行う熱電変換材料を用いた熱電変換素子が提案されている。
In recent years, development of power generation systems using waste heat generated from factory facilities, power generation facilities, and the like has become active toward an energy-saving society. In particular, with the increase in industrial waste, etc., effective utilization of waste heat generated when these are incinerated has become a problem. For example, large-scale waste incineration facilities recover waste heat, such as burning boilers with waste heat and generating electricity with steam turbines, but medium- and small-sized waste incineration facilities, which account for the majority, depend on scale melt. Because of its high performance, it cannot be used to generate power with a turbine.
Therefore, a thermoelectric conversion element using a thermoelectric conversion material that reversibly performs thermoelectric conversion using the Seebeck effect or the Peltier effect, which has no scale merit dependency, has been proposed as a power generation method using such exhaust heat. .

熱電変換素子は、例えば、熱伝導率の小さいn型半導体、p型半導体をそれぞれn型熱電変換部、p型熱電変換部の熱電変換材料として用い、図5、図6に示すように、並置されたn型熱電変換部101、p型熱電変換部102の上端部および下端部にそれぞれ電極5,6が設けられ、各熱電変換部101,102の上端の電極5が接続されて一体化されるとともに、各熱電変換部101,102の下端の電極6,6は分離されて構成されている熱電変換素子を挙げることができる。
そして、電極5,6間に温度差を生じさせることで、電極5,6間に起電力を生じさせることができる。
As the thermoelectric conversion element, for example, an n-type semiconductor and a p-type semiconductor having low thermal conductivity are used as the thermoelectric conversion materials of the n-type thermoelectric conversion unit and the p-type thermoelectric conversion unit, respectively, as shown in FIG. 5 and FIG. Electrodes 5 and 6 are respectively provided at the upper end and the lower end of the n-type thermoelectric conversion unit 101 and the p-type thermoelectric conversion unit 102, and the electrodes 5 at the upper ends of the thermoelectric conversion units 101 and 102 are connected and integrated. In addition, the thermoelectric conversion elements configured by separating the electrodes 6 and 6 at the lower ends of the thermoelectric conversion units 101 and 102 can be given.
An electromotive force can be generated between the electrodes 5 and 6 by generating a temperature difference between the electrodes 5 and 6.

一方、各熱電変換部101,102の下端の電極6,6間に直流電流を流すことで、各電極5,6において発熱作用や吸熱作用を生じさせるようになっている。   On the other hand, by causing a direct current to flow between the electrodes 6 and 6 at the lower ends of the thermoelectric converters 101 and 102, heat generation and heat absorption are generated in the electrodes 5 and 6, respectively.

このような熱電変換部の熱電変換性能は、一般に下式(1)で表される性能指数Z(単位:K-1)によって評価される。
Z=α2/(κρ) ・・・(1)
式(1)において、α, κ,ρはそれぞれゼーベック係数(熱起電力)、熱伝導率、比抵抗を表わしている。
この性能指数Zに温度Tを乗じて無次元化した無次元性能指数ZTが、例えば0.5以上、好ましくは1以上となることが実用化の目安とされている。
The thermoelectric conversion performance of such a thermoelectric conversion part is generally evaluated by a figure of merit Z (unit: K −1 ) expressed by the following formula (1).
Z = α 2 / (κρ) (1)
In equation (1), α, κ, and ρ represent the Seebeck coefficient (thermoelectromotive force), thermal conductivity, and specific resistance, respectively.
It is considered that the dimensionless figure of merit ZT obtained by multiplying the figure of merit Z by the temperature T is, for example, 0.5 or more, preferably 1 or more, for practical use.

つまり、優れた熱電変換性能を得るには、ゼーベック係数αが大きく、熱伝導率κおよび比抵抗ρの小さい材料を選定すればよい。   That is, in order to obtain excellent thermoelectric conversion performance, a material having a large Seebeck coefficient α and a small thermal conductivity κ and specific resistance ρ may be selected.

つまり、図5に示すように、電極5側を加熱しあるいは電極6側を放熱することで電極5,6間に正の温度差(Th−Tc)が生じると、熱励起されたキャリアによってp型熱電変換部102がn型熱電変換部101よりも高電位となり、左右の電極6,6間に負荷としての抵抗3を接続することで、p型熱電変換部102からn型熱電変換部101側へ電流が流れる。
一方、図6に示すように、直流電源4によってp型熱電変換部102からn型熱電変換部101に直流電流を流すことで、電極5,6にそれぞれ吸熱作用、発熱作用が生じる。
逆に、n型熱電変換部101からp型熱電変換部102に直流電流を流すことで、電極5,6にそれぞれ発熱作用、吸熱作用を生じさせることができる。
That is, as shown in FIG. 5, when a positive temperature difference (Th−Tc) is generated between the electrodes 5 and 6 by heating the electrode 5 side or radiating the electrode 6 side, p is generated by the thermally excited carriers. The p-type thermoelectric conversion unit 102 is connected to the n-type thermoelectric conversion unit 101 by connecting the resistor 3 as a load between the left and right electrodes 6 and 6. Current flows to the side.
On the other hand, as shown in FIG. 6, when a direct current is passed from the p-type thermoelectric conversion unit 102 to the n-type thermoelectric conversion unit 101 by the DC power supply 4, an endothermic action and a heat generation action are generated in the electrodes 5 and 6, respectively.
Conversely, by causing a direct current to flow from the n-type thermoelectric conversion unit 101 to the p-type thermoelectric conversion unit 102, it is possible to cause the electrodes 5 and 6 to generate heat and heat, respectively.

そこで熱電変換材料として資源量が豊富で無毒で、環境負荷が少ないMg2 Si(例えば、非特許文献1、2、3参照)が研究されており、Mg2 Siはn型熱電変換材料として適している。
そして、n型Mg2 Si熱電変換材料と相性のよいp型熱電変換材料としてMnSi1.7 (マンガンシリサイド)が注目され始めている。
Accordingly, Mg2 Si (see Non-Patent Documents 1, 2, and 3), which has abundant resources, is non-toxic, and has a low environmental load, has been studied as a thermoelectric conversion material, and Mg2 Si is suitable as an n-type thermoelectric conversion material. .
MnSi1.7 (manganese silicide) has begun to attract attention as a p-type thermoelectric conversion material that is compatible with the n-type Mg2 Si thermoelectric conversion material.

しかし、従来の製法で製造されたMnSi1.7 は、熱電変換性能が悪いという問題があった。
すなわち、Mn、Siの融液からMnSi1.7 結晶を成長させる従来の製法では、原料としてSiとMnを使用し、結晶成長温度は1200℃と高く、状態図から必ずMnSi相(モノシリサイド相)と呼ばれる異相やSi単相が結晶内に析出するので、熱電変換性能が悪かった(非特許文献4参照)。
また、これに対して、化学気相法(非特許文献5参照)やMn、Siを原料とし、Ga、Sn、Pb、Cu融液を溶媒に使ってMnSi1.7 結晶を成長させる溶液法(非特許文献6参照)で単相のMnSi1.7 を得ることができるという報告があるが、最大でも平均直径0.1mm程度のものであり、また同じ粉末内にSiやMnSi相が析出しており、熱電変換材料として使用するには難がある上、結晶成長温度が1200℃と高かった。
However, MnSi1.7 manufactured by the conventional manufacturing method has a problem that the thermoelectric conversion performance is poor.
That is, in the conventional manufacturing method of growing MnSi1.7 crystal from a melt of Mn and Si, Si and Mn are used as raw materials, the crystal growth temperature is as high as 1200 ° C. Since a heterogeneous phase called Si or Si single phase is precipitated in the crystal, the thermoelectric conversion performance is poor (see Non-Patent Document 4).
On the other hand, a chemical vapor deposition method (see Non-Patent Document 5) or a solution method in which MnSi1.7 crystal is grown using Mn and Si as raw materials and Ga, Sn, Pb and Cu melts as solvents. (See Non-Patent Document 6), there is a report that single-phase MnSi1.7 can be obtained, but the maximum diameter is about 0.1 mm, and Si or MnSi phase is precipitated in the same powder. In addition, it is difficult to use as a thermoelectric conversion material, and the crystal growth temperature is as high as 1200 ° C.

Semiconducting Properties of Mg2Si Single Crystals Physical Review Vol.109,No.6 March 15,1958,P.1909〜1915Semiconducting Properties of Mg2Si Single Crystals Physical Review Vol.109, No.6 March 15,1958, P.1909-1915 Seebeck Effect In Mg2Si Single Crystals J.Phys.Chem.Solids Pergamon Press 1962.Vol.23,pp.601-610Seebeck Effect In Mg2Si Single Crystals J.Phys.Chem.Solids Pergamon Press 1962.Vol.23, pp.601-610 Bulk crystal growth of Mg2Si by the vertical Bridgman method Science Direct Thin Solid Films 461(2004)86-89Bulk crystal growth of Mg2Si by the vertical Bridgman method Science Direct Thin Solid Films 461 (2004) 86-89 J.Materials Sci.16(1981)355J.Materials Sci.16 (1981) 355 J.Crystal Growth 47(1979)589J. Crystal Growth 47 (1979) 589 J.Crystal Growth 229(2001)532J. Crystal Growth 229 (2001) 532

本発明の第1の目的は、約300〜600℃の中温で高い性能指数が期待できる熱電変換材料や光センサ、光学素子などとして有効利用できる安価なGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体を提供することである。
本発明の第2の目的は、そのようなGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体を、高価な装置などを使用せず、短時間でしかも安全に容易に製造できる製造方法を提供することである。
The first object of the present invention is to provide a bulk manganese silicide doped with inexpensive Ga or Sn that can be effectively used as a thermoelectric conversion material, optical sensor, optical element or the like that can be expected to have a high performance index at a medium temperature of about 300 to 600 ° C. It is to provide a single crystal or a polycrystal.
The second object of the present invention is to easily and safely manufacture such a bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn in a short time without using an expensive apparatus. It is to provide a manufacturing method that can be used.

上記課題を解消するため、鋭意研究した結果、Mn、Si混合物を原料とし、Ga融液あるいはSn融液を使って、後述する、下式(1)あるいは下式(2)で表されるGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体(以下、MnSi1.7 結晶と称すことがある)を成長させる溶液法において、原料部と結晶析出部との間の結晶成長部に適切な温度勾配ΔTを付けることで、Ga融液あるいはSn融液中での対流と拡散を促し、MnSi1.7 結晶の合成速度を圧倒的に早くし、約900℃という比較的低温でも平均直径約1mm以上、好ましくは約1cm以上、さらに好ましくは約10〜20cmに達する大型の結晶を合成することができることを見い出し、本発明を成すに到った。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, Ga represented by the following formula (1) or the following formula (2), which will be described later, using a mixture of Mn and Si as a raw material and Ga melt or Sn melt. Alternatively, in a solution method for growing bulk manganese silicide single crystal or polycrystal (hereinafter sometimes referred to as MnSi1.7 crystal) doped with Sn, a crystal growth portion between a raw material portion and a crystal precipitation portion By attaching an appropriate temperature gradient ΔT to the film, it promotes convection and diffusion in Ga melt or Sn melt, and makes the synthesis rate of MnSi1.7 crystal overwhelmingly fast, even at a relatively low temperature of about 900 ° C. It has been found that a large crystal having a diameter of about 1 mm or more, preferably about 1 cm or more, more preferably about 10 to 20 cm can be synthesized, and the present invention has been achieved.

本発明の請求項1記載の発明は、下式(1)あるいは下式(2)で表されることを特徴とするGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体である。   The invention according to claim 1 of the present invention is a bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn, characterized by being represented by the following formula (1) or (2): is there.

Mn11Si19-xGax 式(1)
[式(1)において、xは0を超え0.1以下である。]
Mn4 Si7-y Sny 式(2)
[式(2)において、yは0を超え0.1以下である。]
Mn11Si19-xGax formula (1)
[In Formula (1), x is more than 0 and 0.1 or less. ]
Mn4 Si7-y Sny formula (2)
[In Formula (2), y exceeds 0 and is 0.1 or less. ]

本発明の請求項2記載の発明は、下記工程(1)〜(6)を含み、真空中で製造することを特徴とする請求項1記載のGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体の製造方法である。   The invention according to claim 2 of the present invention includes the following steps (1) to (6), and is produced in a vacuum, wherein the bulk manganese silicide unit doped with Ga or Sn according to claim 1 is used. A method for producing a crystal or polycrystal.

(1)Mn:Siの元素比が下式(3)から計算される元素比の、Mn粒子とSi粒子の混合物を焼結法などによってペレット状にしたもの、あるいはこれらを融点以上に融解して合金化したMnSi1.7合金からなる原料を準備する工程。
(2)反応容器中の底部を結晶析出部とし、前記反応容器中に所定量のGa粒子あるいはSn粒子を充填した後、前記反応容器をGaあるいはSnの融点以上に加熱して、Ga粒子あるいはSn粒子を融解して、GaあるいはSn融液からなる結晶成長部を形成する工程。
(3)工程(1)で準備した原料を、工程(2)で準備した前記反応容器中のGa融液あるいはSn融液の上面に接触させて充填して原料からなる原料部を形成する工程。
(4)前記反応容器をさらに加熱して、前記原料部の温度を少なくとも前記結晶成長部の温度より高く、かつ高くても1200℃以下の温度とし、前記結晶成長部を600〜1150℃とするとともに、前記原料部から前記結晶析出部に至る間における温度勾配が5〜100℃/cmとなるように設定する工程。
(5)前記反応容器を工程(4)で設定した状態に維持しつつ、前記結晶成長部で所定時間結晶を成長させて、前記結晶析出部にGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいはバルク状マンガンシリサイド多結晶体を堆積する工程。
(6)結晶成長が終了した後、常温まで冷却し、GaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体を前記反応容器から取り出す。
(1) Mn: Si element ratio calculated from the following formula (3), a mixture of Mn particles and Si particles formed into pellets by a sintering method or the like, or melted above the melting point Preparing a raw material made of an alloyed MnSi 1.7 alloy.
(2) The bottom portion in the reaction vessel is a crystal precipitation portion, and after filling the reaction vessel with a predetermined amount of Ga particles or Sn particles, the reaction vessel is heated to a melting point of Ga or Sn to increase the Ga particles or A step of melting the Sn particles to form a crystal growth portion made of Ga or Sn melt.
(3) A step of bringing the raw material prepared in step (1) into contact with the upper surface of the Ga melt or Sn melt in the reaction vessel prepared in step (2) and filling it to form a raw material portion made of the raw material. .
(4) The reaction vessel is further heated so that the temperature of the raw material portion is at least higher than that of the crystal growth portion and at most 1200 ° C., and the crystal growth portion is set to 600 to 1150 ° C. And a step of setting the temperature gradient between the raw material part and the crystal precipitation part to be 5 to 100 ° C./cm.
(5) While maintaining the reaction vessel in the state set in step (4), a crystal is grown for a predetermined time in the crystal growth portion, and a bulk manganese silicide unit doped with Ga or Sn in the crystal precipitation portion. A process of depositing a crystal or bulk manganese silicide polycrystal.
(6) After the crystal growth is completed, it is cooled to room temperature, and the bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn is taken out from the reaction vessel.

MnSi1.75-x 式(3)
[式(3)において、xは0以上0.13以下である。]
MnSi1.75-x Formula (3)
[In Formula (3), x is 0 or more and 0.13 or less. ]

本発明の請求項1記載の発明は、不活性ガス導入装置などを使用せずに製造できる、前式で表されるGaあるいはSnでドーピングされた、例えば平均直径約1mm以上、好ましくは約1cm以上、さらに好ましくは約10〜20cmに達するバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体であって、安価であり、GaあるいはSnでドーピングされているので約300〜600℃の中温で高い性能指数が期待できる熱電変換材料として有効利用できる外、光センサ、光学素子などとしても有効利用できるという顕著な効果を奏する。   The invention according to claim 1 of the present invention can be manufactured without using an inert gas introduction device or the like, and doped with Ga or Sn represented by the above formula, for example, an average diameter of about 1 mm or more, preferably about 1 cm. More preferably, it is a bulk manganese silicide single crystal or polycrystal that reaches about 10 to 20 cm, is inexpensive, and is doped with Ga or Sn, so it has a high performance index at a medium temperature of about 300 to 600 ° C. In addition to being able to be effectively used as a thermoelectric conversion material that can be expected, there is a remarkable effect that it can be effectively used as an optical sensor, an optical element, or the like.

本発明の請求項2記載の発明は、前記工程(1)〜(6)を含み、真空中で製造することを特徴とする請求項1記載のGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体の製造方法であり、
高価な不活性ガス導入装置などを使用せず、短時間でしかも安全に容易に製造できるという顕著な効果を奏する。
The invention according to claim 2 of the present invention includes the steps (1) to (6), and is produced in a vacuum. The bulk manganese silicide unit doped with Ga or Sn according to claim 1, A method for producing a crystal or polycrystal,
There is a remarkable effect that it can be manufactured easily and safely in a short time without using an expensive inert gas introduction device or the like.

前記原料部の温度を少なくとも前記結晶成長部の温度より高く、かつ高くても1200℃以下の温度とし、前記結晶成長部を600〜1150℃とするとともに、前記原料部から前記結晶析出部に至る間における温度勾配が5〜100℃/cmとなるように設定し、この状態に維持しつつ、前記結晶成長部で所定時間結晶を成長させて、前記結晶析出部に結晶を堆積させることにより、前記結晶成長部における対流と拡散を促進し、結晶の成長速度を著しく大きくすることができたので、平均直径約10〜20cmに達するGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体を短時間で製造することができた。   The temperature of the raw material portion is at least higher than the temperature of the crystal growth portion and at most 1200 ° C., the crystal growth portion is set to 600 to 1150 ° C., and the raw material portion reaches the crystal precipitation portion. By setting the temperature gradient between 5 to 100 ° C./cm and maintaining this state, the crystal is grown for a predetermined time in the crystal growth part, and the crystal is deposited in the crystal precipitation part, Since the convection and diffusion in the crystal growth portion were promoted and the crystal growth rate could be remarkably increased, a bulk manganese silicide single crystal doped with Ga or Sn reaching an average diameter of about 10 to 20 cm or a multi-crystal. Crystals could be produced in a short time.

本発明のGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体の製造方法を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the manufacturing method of the bulk-like manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn of the present invention. 実施例1の本発明のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体のX線回折結果を示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction result of a bulk manganese silicide single crystal doped with Ga according to the present invention in Example 1. FIG. 実施例2の本発明のSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体のX線回折結果を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction result of the bulk-like manganese silicide single crystal body doped with Sn of this invention of Example 2. 実施例1の本発明のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体および実施例2の本発明のSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体の温度に対する電気抵抗率測定結果を示すグラフである。The graph which shows the electrical resistivity measurement result with respect to the temperature of the bulk manganese silicide single crystal doped with Ga according to the present invention of Example 1 and the bulk manganese silicide single crystal doped with Sn according to the present invention of Example 2. It is. n型熱電変換部とp型熱電変換部を備えた熱電変換素子の構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of the thermoelectric conversion element provided with the n-type thermoelectric conversion part and the p-type thermoelectric conversion part. n型熱電変換部とp型熱電変換部を備えた他の熱電変換素子の構成例を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structural example of the other thermoelectric conversion element provided with the n-type thermoelectric conversion part and the p-type thermoelectric conversion part.

次に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体を真空中で製造する方法を説明する説明図である。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view for explaining a method for producing a bulk manganese silicide single crystal doped with Ga according to the present invention in a vacuum.

図1において、1は、本発明のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体を真空中で製造するための装置、2は加熱炉、3は加熱炉2の外周に設けた加熱用ヒータ、4は反応容器、5は反応容器4中のGa融液からなる結晶成長部、6は結晶成長部5のGa融液の上面に接触させて配設して形成した原料のMnSi1.7合金などからなる原料部、7は反応容器4の底部に種結晶部を配設せずに、反応容器4の底部を結晶析出部とし、この結晶析出部に堆積した成長中のマンガンシリサイド単結晶体、8は温度計、9は制御手段を示す。 In FIG. 1, 1 is an apparatus for producing a bulk manganese silicide single crystal doped with Ga according to the present invention in vacuum, 2 is a heating furnace, 3 is a heater for heating provided on the outer periphery of the heating furnace 2 4 is a reaction vessel, 5 is a crystal growth portion made of a Ga melt in the reaction vessel 4, 6 is a raw material MnSi 1.7 alloy formed by being placed in contact with the upper surface of the Ga melt in the crystal growth portion 5, etc. The raw material portion 7 is composed of a growing manganese silicide single crystal deposited on the crystal precipitation portion without forming a seed crystal portion on the bottom portion of the reaction vessel 4 and using the bottom portion of the reaction vessel 4 as a crystal precipitation portion. Reference numeral 8 denotes a thermometer, and 9 denotes a control means.

次に、工程毎に本発明の製造方法を工程ごとに説明する。
工程(1)で、先ず、Mn:Siの元素比が前式(3)から計算される元素比の、Mn粒子とSi粒子を焼結したペレットあるいはMnSi1.7合金からなる原料を準備する。
Next, the manufacturing method of this invention is demonstrated for every process for every process.
In step (1), first, a raw material composed of pellets obtained by sintering Mn particles and Si particles or an MnSi 1.7 alloy having an element ratio of Mn: Si calculated from the above equation (3) is prepared. .

工程(2)で、反応容器4の底部を結晶析出部とし、反応容器4中に所定量のGa粒子を充填した後、制御手段9からの信号により加熱用ヒータ3を駆動して反応容器4をGaの融点以上に加熱して、Ga粒を融解して、Ga融液からなる結晶成長部5を形成する。反応容器4の底部を結晶析出部としたが、底部に石英板などの種結晶を配設して結晶析出部とすることもできる。   In step (2), the bottom of the reaction vessel 4 is used as a crystal precipitation portion, and after filling a predetermined amount of Ga particles in the reaction vessel 4, the heater 3 is driven by a signal from the control means 9 to drive the reaction vessel 4. Is heated to the melting point of Ga or higher to melt the Ga grains to form the crystal growth part 5 made of Ga melt. Although the bottom portion of the reaction vessel 4 is a crystal precipitation portion, a seed crystal such as a quartz plate may be disposed on the bottom portion to form a crystal precipitation portion.

工程(3)で、前記工程(1)で準備した原料を、工程(2)で準備した反応容器4中のGa融液からなる結晶成長部5の上面に接触させて充填して原料からなる原料部6を形成する工程。
結晶成長部5の上面と原料部6の間にメッシュや多孔体などの適当なスペーサを設置してもよい。
In the step (3), the raw material prepared in the step (1) is brought into contact with the upper surface of the crystal growth part 5 made of a Ga melt in the reaction vessel 4 prepared in the step (2), and is filled with the raw material. Forming the raw material portion 6;
An appropriate spacer such as a mesh or a porous body may be provided between the upper surface of the crystal growth part 5 and the raw material part 6.

工程(4)で、制御手段9からの信号により各ゾーンの加熱用ヒータ3をそれぞれ適切に駆動して反応容器4をさらに加熱して、原料部6の温度を少なくとも結晶成長部5の温度より高く、かつ高くても1200℃以下の温度とし、好ましくは1100℃以下の温度とし、結晶成長部5を600〜1150℃、好ましくは650℃〜1100℃とするとともに、原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間における温度勾配ΔTが5〜100℃/cm、好ましくは10〜90℃/cmとなるように設定する。
1200℃を超えると、原料の融点を超えるため原料全体が融液となってしまい結晶成長ができない恐れがある。結晶成長部5の温度が600℃未満では、原料が十分にGaやSn溶媒に溶けないため、結晶成長が著しく遅くなり、結晶が成長しない恐れがあり、1150℃を超えると、原料の組成の不均一な部分が融解し結晶成長を阻害する恐れがある。
温度勾配ΔTが5℃/cm未満では、溶液中に溶けた溶質が結晶成長部に十分に供給されないため、結晶成長が著しく阻害される恐れがあり、100℃/cmを超えると、結晶品質が悪化する恐れがある。
In step (4), the heater 3 for each zone is appropriately driven by a signal from the control means 9 to further heat the reaction vessel 4 so that the temperature of the raw material portion 6 is at least higher than the temperature of the crystal growth portion 5. The temperature is set to 1200.degree. C. or lower, preferably 1100.degree. C. or lower, and the crystal growth portion 5 is set to 600 to 1150.degree. C., preferably 650 to 1100.degree. The temperature gradient ΔT between the bottom and the crystal precipitation part is set to 5 to 100 ° C./cm, preferably 10 to 90 ° C./cm.
If the temperature exceeds 1200 ° C., the melting point of the raw material is exceeded, so that the entire raw material becomes a melt and crystal growth may not be possible. If the temperature of the crystal growth part 5 is less than 600 ° C., the raw material is not sufficiently dissolved in Ga or Sn solvent, so that the crystal growth is remarkably slow and the crystal may not grow. The non-uniform portion may melt and hinder crystal growth.
If the temperature gradient ΔT is less than 5 ° C./cm, the solute dissolved in the solution is not sufficiently supplied to the crystal growth part, so that there is a risk that crystal growth may be significantly inhibited. There is a risk of getting worse.

工程(5)で、反応容器4を工程(4)で設定した状態に維持しつつ、結晶成長部5で所定時間結晶を成長させて、前記結晶析出部にGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を堆積する。   In the step (5), while maintaining the reaction vessel 4 in the state set in the step (4), a crystal is grown for a predetermined time in the crystal growth portion 5, and the bulk manganese silicide doped with Ga in the crystal precipitation portion A single crystal 7 is deposited.

工程(6)で、結晶成長が終了した後、常温まで冷却し、Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を反応容器4から取り出す。   In step (6), after the crystal growth is completed, the crystal is cooled to room temperature, and the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga is taken out from the reaction vessel 4.

図1の左側に、縦軸が原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間の距離(cm)(すなわち、XS〜XG間の距離)と、横軸が原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間の温度(℃)(すなわち、TG〜TS間の温度)との関係を示す。そして、原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間における温度勾配ΔTが5〜100℃/cmとなるように設定する。   On the left side of FIG. 1, the vertical axis indicates the distance (cm) from the raw material part 6 to the crystal precipitation part at the bottom of the reaction vessel 4 (that is, the distance between XS and XG), and the horizontal axis indicates the reaction from the raw material part 6. The relationship with the temperature (degreeC) (namely, temperature between TG-TS) until it reaches the crystal precipitation part of the bottom part of the container 4 is shown. And it sets so that the temperature gradient (DELTA) T from the raw material part 6 to the crystal precipitation part of the bottom part of the reaction container 4 may be set to 5-100 degreeC / cm.

本発明で使用する原料のSiは、半導体用高純度シリコン原料、LSI用高純度シリコン原料、太陽電池高純度シリコン原料、高純度金属シリコンなどを粉砕加工した平均粒径が約2〜3mmのチャンク状の粒や平均粒径が約5〜50μm程度の粉末を挙げることができる。
本発明で使用する原料のMnとしては、高純度に精製した純度99.9%以上の平均粒径が約2〜3mmのチャンク状の粒や平均粒径が約5〜50μm程度の粉末を好ましく使用できる。
本発明で使用する原料のMnSi1.7合金とは、例えばチャンク状のSi粒子とチャンク状のMn粒子を融点以上で融解し、冷却して合金化したものを挙げることができる。さらに原料はSi粒子とMn粒子を均質に混合して焼結したバルク状の混合焼結ペレット等を挙げることができる。
The raw material Si used in the present invention is a chunk having an average particle diameter of about 2 to 3 mm obtained by crushing a high-purity silicon raw material for semiconductors, a high-purity silicon raw material for LSI, a high-purity silicon raw material for solar cells, high-purity metallic silicon, or the like. And powder having an average particle size of about 5 to 50 μm.
The raw material Mn used in the present invention is preferably a highly purified 99.9% or more chunk-like particle having an average particle size of about 2 to 3 mm or a powder having an average particle size of about 5 to 50 μm. Can be used.
Examples of the raw material MnSi 1.7 alloy used in the present invention include those obtained by melting chunk-like Si particles and chunk-like Mn particles at a melting point or higher and cooling them to form an alloy. Furthermore, examples of the raw material include bulk mixed sintered pellets obtained by homogeneously mixing and sintering Si particles and Mn particles.

本発明においては、前式(3)から計算される元素比の、Mn粒子とSi粒子の混合焼結ペレットあるいはMnSi1.7合金からなる原料を準備する。
前記式(3)において、xは析出させる結晶組成にあわせて調整し、Mn11Si19相を成長する場合は好ましくは0.023であり、Mn4Si7相を成長する場合は好ましくは0である。
xが0.13を超えると、モノシリサイド相のMnSi相が析出する恐れがあり、好ましくない。
In the present invention, a raw material made of a mixed sintered pellet of Mn particles and Si particles or an MnSi 1.7 alloy having an element ratio calculated from the above equation (3) is prepared.
In the above formula (3), x is adjusted according to the crystal composition to be precipitated, and is preferably 0.023 when growing the Mn11Si19 phase, and preferably 0 when growing the Mn4Si7 phase.
When x exceeds 0.13, a monosilicide MnSi phase may be precipitated, which is not preferable.

本発明で使用する反応容器は、前記化学反応の反応条件に耐える耐熱性、機械特性を有する物であればよく、特に限定されないが、酸素不透過性を有し、大気中で本結晶成長温度に耐える耐熱性を有するとともに、溶媒のGaやSnと反応せず、製品であるMnSi1.7 結晶に不純物を供給しない特性を有する例えば、高純度石英、BN、緻密処理したグラファイト、アルミナなどの材料で作成された内面を有する反応容器が好ましく使用でき
る。
The reaction vessel used in the present invention is not particularly limited as long as it has heat resistance and mechanical properties that can withstand the reaction conditions of the chemical reaction, and has oxygen impermeability and the crystal growth temperature in the atmosphere. Such as high-purity quartz, BN, densely processed graphite, and alumina, etc., which have heat resistance that can withstand heat, and does not react with Ga or Sn as a solvent and does not supply impurities to the product MnSi1.7 crystal. A reaction vessel having an inner surface made in (1) can be preferably used.

前述のように、工程(4)で、原料部6の温度を少なくとも結晶成長部5の温度より高く、かつ高くても1200℃以下の温度とし、結晶成長部5を600〜1150℃とし、原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間における温度勾配ΔTが5〜100℃/cmとなるように設定し、設定した状態に維持しつつ、結晶成長部5で所定時間結晶を成長させて、前記結晶析出部にMnSi1.7 結晶7を堆積する。
本発明で使用する反応容器の加熱は、特に限定されるものではなく、公知の電気炉やガス燃焼炉などの加熱装置を使用し、公知の加熱方法を用いることができる。
As described above, in step (4), the temperature of the raw material portion 6 is at least higher than the temperature of the crystal growth portion 5 and at most 1200 ° C. or less, the crystal growth portion 5 is 600 to 1150 ° C., The temperature gradient ΔT from the part 6 to the crystal precipitation part at the bottom of the reaction vessel 4 is set to be 5 to 100 ° C./cm, and the crystal is grown for a predetermined time in the crystal growth part 5 while maintaining the set state. The MnSi1.7 crystal 7 is deposited on the crystal precipitation part.
The heating of the reaction vessel used in the present invention is not particularly limited, and a known heating method can be used using a heating device such as a known electric furnace or gas combustion furnace.

反応容器中は、真空にする。容器内の真空度は0.06Pa以下、好ましくは1×10-3以下とする。 The reaction vessel is evacuated. The degree of vacuum in the container is 0.06 Pa or less, preferably 1 × 10 −3 or less.

冷却は、自然冷却でも強制冷却でもこれらの組み合わせでもよく、特に限定されるものではなく、公知の冷却装置を使用し、公知の冷却方法を用いることができる。
あまり急激な冷却を行うと、反応容器が割れることがあるので注意を要する。
The cooling may be natural cooling, forced cooling, or a combination thereof, and is not particularly limited, and a known cooling method can be used by using a known cooling device.
Care should be taken because if the cooling is too rapid, the reaction vessel may break.

MnSi1.7 結晶を熱電変換材料として利用する場合は、合成工程で得られたGaあるいはSnでドーピングされたMnSi1.7 結晶を粉砕し、ドーピングが不足であれば得られた粉末に、適宜のドーパントを所定量添加した後、加圧圧縮焼結法により減圧雰囲気で焼結圧力5〜60MPa、焼結温度600〜1000℃で焼結することにより高い物理的強度を有し、かつ安定して高い熱電変換性能を発揮でき、風化せず耐久性に優れ安定性および信頼性が高いP型熱電変換材料を得ることができる。
粉砕は、細かくて、よく揃った粒度を有し、狭い粒度分布を有する粒子とすることが好ましい。細かくて、よく揃った粒度を有し、狭い粒度分布を有する粒子を次の加圧圧縮焼結法により焼結すると、粒子同士がその表面の少なくとも1部が融着してよく焼結できるので、良好に焼結でき、理論密度の約70%からほぼ理論密度の焼結体を得ることができる。
When using MnSi1.7 crystal as a thermoelectric conversion material, pulverize Ga or Sn-doped MnSi1.7 crystal obtained in the synthesis step, and if the doping is insufficient, the obtained powder will have an appropriate dopant. After adding a predetermined amount, it has high physical strength and is stably high by sintering at a sintering pressure of 5 to 60 MPa and a sintering temperature of 600 to 1000 ° C. in a reduced pressure atmosphere by a pressure compression sintering method. A P-type thermoelectric conversion material that can exhibit thermoelectric conversion performance, is not weathered, has excellent durability, and has high stability and reliability can be obtained.
The pulverization is preferably carried out to particles having a fine particle size, a uniform particle size, and a narrow particle size distribution. Sintering particles with fine, well-aligned particle size and narrow particle size distribution by the following pressure compression sintering method allows the particles to be fused together with at least a part of their surfaces fused together. Sintering can be performed satisfactorily, and a sintered body having approximately the theoretical density can be obtained from about 70% of the theoretical density.

粉砕したMnSi1.7 結晶の粒度は、具体的には、例えば、篩75μmパスで65μmオンとか、篩30μmパスで20μmオンとか、あるいは平均粒径0.1〜0.2μmなどの例を挙げることができ、使用目的などに合わせて適宜選定することが好ましい。
70%からほぼ理論密度の焼結体を得ることができ、P型熱電変換材料を製造できるので好ましい。
Specifically, the particle size of the pulverized MnSi1.7 crystal is, for example, 65 μm on a 75 μm pass, 20 μm on a 30 μm pass, or an average particle size of 0.1 to 0.2 μm. It is preferable to select appropriately according to the purpose of use.
A sintered body having an almost theoretical density can be obtained from 70%, and a P-type thermoelectric conversion material can be produced, which is preferable.

ドーパントの具体例としては、B、Al、Ga、Inなどの3価のドーパントを挙げることができる。
他の具体例としては、例えば、P、Biなどの5価のドーパントを挙げることができる。
他の具体例としては、例えば、Cr、Mo、Wなどの6価のドーパントを挙げることができる。
Specific examples of the dopant include trivalent dopants such as B, Al, Ga, and In.
Other specific examples include pentavalent dopants such as P and Bi.
Other specific examples include hexavalent dopants such as Cr, Mo, and W.

なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。   The description of the above embodiment is for explaining the present invention, and does not limit the invention described in the claims or reduce the scope. Moreover, each part structure of this invention is not restricted to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible within the technical scope as described in a claim.

次に実施例および比較例により本発明を詳しく説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限りこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention in detail, unless it deviates from the main point of this invention, it is not limited to these Examples.

(実施例1)
図1に示した装置1を使用し、原料部6の温度を880〜930℃、Ga融液からなる結晶成長部5の温度を850〜900℃とするとともに、原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間における温度勾配ΔTが30〜60℃/cmとなるように設定し、この状態に維持しつつ、結晶成長部5で所定時間(約1週間)結晶を成長させて、前記結晶析出部にGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を堆積させた。結晶成長が終了した後、常温まで冷却し、Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を反応容器4から取り出した。
(Example 1)
The apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, the temperature of the raw material part 6 is set to 880 to 930 ° C., the temperature of the crystal growth part 5 made of Ga melt is set to 850 to 900 ° C. The temperature gradient ΔT between the bottom and the crystal precipitation part is set to 30 to 60 ° C./cm, and the crystal is grown in the crystal growth part 5 for a predetermined time (about one week) while maintaining this state. The bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga was deposited on the crystal precipitation part. After the crystal growth was completed, it was cooled to room temperature, and the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga was taken out from the reaction vessel 4.

Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の走査型電子顕微鏡(SEM−EDX)を用いて下記の分析条件で3箇所測定し、その平均値を、表1に示す。
(分析条件)
装置:日本電子製JSM−5600LV
電子線加速電圧:15KV
ビームサイズ:44
試料距離:15mm
Using a scanning electron microscope (SEM-EDX) of bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga, three points were measured under the following analysis conditions, and the average values are shown in Table 1.
(Analysis conditions)
Device: JEOL JSM-5600LV
Electron beam acceleration voltage: 15KV
Beam size: 44
Sample distance: 15mm

Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を下記の分析条件でX線回折測定した結果を、図2および表2に示す。
(分析条件)
装置:リガクRINT2000
X線:CuKα1 40KV/30mA
発散スリット:1deg.
散乱スリット:1deg.
受光スリット:0.3mm
走査モード:連続
試料回転速度:60rpm
スキャンスピード:2°/min
スキャンステップ:0.02°
走査軸:θ・2θ
The results of X-ray diffraction measurement of Ga-doped bulk manganese silicide single crystal 7 under the following analytical conditions are shown in FIG.
(Analysis conditions)
Equipment: Rigaku RINT2000
X-ray: CuKα1 40KV / 30mA
Divergent slit: 1 deg.
Scattering slit: 1 deg.
Receiving slit: 0.3mm
Scanning mode: Continuous sample rotation speed: 60 rpm
Scan speed: 2 ° / min
Scan step: 0.02 °
Scanning axis: θ ・ 2θ

Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の電気抵抗率(Ωcm)を温度(K)に対して測定した結果を図4に示す。
(測定条件)
測定方法:四端子法
電極:銀ペースト
装置:ケースレー製 2400ソースメータ、2182ナノボルトメータ
FIG. 4 shows the results of measuring the electrical resistivity (Ωcm) of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga with respect to the temperature (K).
(Measurement condition)
Measurement method: Four-terminal method Electrode: Silver paste Device: Keithley 2400 source meter, 2182 nanovolt meter

Gaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の熱電特性を測定した結果を、非特許文献4[J.Materials Sci.16(1981)355-366 ]のTableIIに記載の報告例とともに表3に示す。
ただし、表3中の、熱電出力因子P=α2 /ρ を表す。
α:ゼーベック係数、ρは電気抵抗を示す。
The results of measuring the thermoelectric properties of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga are shown in Table 3 together with a report example described in Table II of Non-Patent Document 4 [J. Materials Sci. 16 (1981) 355-366]. Shown in
However, the thermoelectric output factor P = α 2 / ρ in Table 3 is represented.
α: Seebeck coefficient, ρ represents electric resistance.

(実施例2)
図1に示した装置1を使用し、原料部6の温度を880〜930℃、Sn融液からなる結晶成長部5の温度を850〜900℃とするとともに、原料部6から反応容器4の底部の結晶析出部に至る間における温度勾配ΔTが30〜60℃/cmとなるように設定し、この状態に維持しつつ、結晶成長部5で所定時間(約2週間)結晶を成長させて、前記結晶析出部にSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を堆積させた。結晶成長が終了した後、常温まで冷却し、Snでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7を反応容器4から取り出した。
(Example 2)
The apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, the temperature of the raw material part 6 is set to 880 to 930 ° C., the temperature of the crystal growth part 5 made of Sn melt is set to 850 to 900 ° C. The temperature gradient ΔT between the bottom and the crystal precipitation part is set to 30 to 60 ° C./cm, and while maintaining this state, the crystal is grown in the crystal growth part 5 for a predetermined time (about 2 weeks). The bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn was deposited on the crystal precipitation part. After the crystal growth was completed, it was cooled to room temperature, and the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn was taken out from the reaction vessel 4.

実施例1と同様にして、Snでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の走査型電子顕微鏡(SEM−EDX)を用いて3箇所測定し、その平均値を、表1に示す。   In the same manner as in Example 1, three points of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn were measured using a scanning electron microscope (SEM-EDX), and the average value is shown in Table 1.

実施例1と同様にして、Snでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7のX線回折測定した結果を、図3および表2に示す。   The results of X-ray diffraction measurement of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn in the same manner as in Example 1 are shown in FIG.

実施例1と同様にして、Snでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の電気抵抗率(Ωcm)を温度(K)に対して測定した結果を図4に示す。   FIG. 4 shows the results of measuring the electrical resistivity (Ωcm) of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn with respect to the temperature (K) in the same manner as in Example 1.

実施例1と同様にして、Snでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7の熱電特性を測定した結果を、非特許文献4[J.Materials Sci.16(1981)355-366 ]のTableIIに記載の報告例とともに表3に示す。   The results of measuring the thermoelectric properties of the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn in the same manner as in Example 1 are shown in Table II of Non-Patent Document 4 [J. Materials Sci. 16 (1981) 355-366]. It is shown in Table 3 with the report example described in.

Figure 2011210845
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Figure 2011210845
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Figure 2011210845
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実施例1のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7は平均直径約5cmであり、表1から、Si63.1atom%、Mn36.6atom%、Ga0.3atom%の組成を有し、そして図2および表2から、未反応のSi、Mn、Gaや、Mn4 Si7 、MnSiなどが含まれていないことが判る。
表3から、実施例1のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7は熱電特性に優れていることが判る。
The bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga in Example 1 has an average diameter of about 5 cm, and from Table 1, it has a composition of Si 63.1 atom%, Mn 36.6 atom%, Ga 0.3 atom%, and From FIG. 2 and Table 2, it can be seen that unreacted Si, Mn, Ga, Mn4 Si7, MnSi and the like are not contained.
From Table 3, it can be seen that the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Ga of Example 1 has excellent thermoelectric properties.

実施例2のSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7は平均直径約4.5cmであり、表1から、Si63.4atom%、Mn36.4atom%、Sn0.2atom%の組成を有し、そして図3および、表2から未反応のSi、Mn、Gaや、Mn4 Si7 、MnSiなどが含まれていないことが判る。
表3から、実施例2のSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体7は熱電特性に優れていることが判る。
The bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn in Example 2 has an average diameter of about 4.5 cm, and has a composition of Si 63.4 atom%, Mn 36.4 atom%, and Sn 0.2 atom% from Table 1. 3 and Table 2 show that unreacted Si, Mn, Ga, Mn4 Si7, MnSi and the like are not contained.
From Table 3, it can be seen that the bulk manganese silicide single crystal 7 doped with Sn in Example 2 has excellent thermoelectric properties.

本発明は、不活性ガス導入装置などを使用せずに製造できる、前式(1)あるいは前式(2)で表されるGaあるいはSnでドーピングされた、例えば平均直径約1mm以上、好ましくは約1cm以上、さらに好ましくは約10〜20cmに達するバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体であって、安価であり、GaあるいはSnでドーピングされているので約300〜600℃の中温で高い性能指数が期待できる熱電変換材料として有効利用できる外、光センサ、光学素子などとしても有効利用できるという顕著な効果を奏し、本発明の製造方法により短時間でしかも安全に容易に製造できるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。   The present invention can be manufactured without using an inert gas introduction device or the like, and doped with Ga or Sn represented by the above formula (1) or (2), for example, an average diameter of about 1 mm or more, preferably Bulk manganese silicide single crystal or polycrystal which reaches about 1 cm or more, more preferably about 10 to 20 cm, is inexpensive and is doped with Ga or Sn, so it is high at a medium temperature of about 300 to 600 ° C. In addition to being able to be used effectively as a thermoelectric conversion material that can be expected to have a figure of merit, it has a remarkable effect that it can also be used effectively as an optical sensor, an optical element, etc. Because it has a great effect, it has high industrial utility value.

1 本発明のGaでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体を真空中で製造するための装置
2 加熱炉
3 加熱用ヒータ
4 反応容器
5 結晶成長部
6 原料部
7 結晶析出部
8 温度計
9 制御手段
1 Apparatus for producing a bulk manganese silicide single crystal doped with Ga according to the present invention in vacuum 2 Heating furnace 3 Heating heater 4 Reaction vessel 5 Crystal growth section 6 Raw material section 7 Crystal precipitation section 8 Thermometer 9 Control means

Claims (2)

下式(1)あるいは下式(2)で表されることを特徴とするGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体。
Mn11Si19-xGax 式(1)
[式(1)において、xは0を超え0.1以下である。]
Mn4 Si7-y Sny 式(2)
[式(2)において、yは0を超え0.1以下である。]
A bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn, which is represented by the following formula (1) or (2):
Mn11Si19-xGax formula (1)
[In Formula (1), x is more than 0 and 0.1 or less. ]
Mn4 Si7-y Sny formula (2)
[In Formula (2), y exceeds 0 and is 0.1 or less. ]
下記工程(1)〜(6)を含み、真空中で製造することを特徴とする請求項1記載のGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体の製造方法。
(1)Mn:Siの元素比が下式(3)から計算される元素比の、Mn粒子とSi粒子の混合物を焼結法などによってペレット状にしたもの、あるいはこれらを融点以上に融解して合金化したMnSi1.7合金からなる原料を準備する工程。
(2)反応容器中の底部を結晶析出部とし、前記反応容器中に所定量のGa粒子あるいはSn粒子を充填した後、前記反応容器をGaあるいはSnの融点以上に加熱して、Ga粒子あるいはSn粒子を融解して、GaあるいはSn融液からなる結晶成長部を形成する工程。
(3)工程(1)で準備した原料を、工程(2)で準備した前記反応容器中のGa融液あるいはSn融液の上面に接触させて充填して原料からなる原料部を形成する工程。
(4)前記反応容器をさらに加熱して、前記原料部の温度を少なくとも前記結晶成長部の温度より高く、かつ高くても1200℃以下の温度とし、前記結晶成長部を600〜1150℃とするとともに、前記原料部から前記結晶析出部に至る間における温度勾配が5〜100℃/cmとなるように設定する工程。
(5)前記反応容器を工程(4)で設定した状態に維持しつつ、前記結晶成長部で所定時間結晶を成長させて、前記結晶析出部にGaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいはバルク状マンガンシリサイド多結晶体を堆積する工程。
(6)結晶成長が終了した後、常温まで冷却し、GaあるいはSnでドーピングされたバルク状マンガンシリサイド単結晶体あるいは多結晶体を前記反応容器から取り出す。
MnSi1.75-x 式(3)
[式(3)において、xは0以上0.13以下である。]
The method for producing a bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn according to claim 1, comprising the following steps (1) to (6) and producing in vacuum.
(1) Mn: Si element ratio calculated from the following formula (3), a mixture of Mn particles and Si particles formed into pellets by a sintering method or the like, or melted above the melting point Preparing a raw material made of an alloyed MnSi1.7 alloy.
(2) The bottom portion in the reaction vessel is a crystal precipitation portion, and after filling the reaction vessel with a predetermined amount of Ga particles or Sn particles, the reaction vessel is heated to a melting point of Ga or Sn to increase the Ga particles or A step of melting the Sn particles to form a crystal growth portion made of Ga or Sn melt.
(3) A step of bringing the raw material prepared in step (1) into contact with the upper surface of the Ga melt or Sn melt in the reaction vessel prepared in step (2) and filling it to form a raw material portion made of the raw material. .
(4) The reaction vessel is further heated so that the temperature of the raw material portion is at least higher than that of the crystal growth portion and at most 1200 ° C., and the crystal growth portion is set to 600 to 1150 ° C. And a step of setting the temperature gradient between the raw material part and the crystal precipitation part to be 5 to 100 ° C./cm.
(5) While maintaining the reaction vessel in the state set in step (4), a crystal is grown for a predetermined time in the crystal growth portion, and a bulk manganese silicide unit doped with Ga or Sn in the crystal precipitation portion. A process of depositing a crystal or bulk manganese silicide polycrystal.
(6) After the crystal growth is completed, it is cooled to room temperature, and the bulk manganese silicide single crystal or polycrystal doped with Ga or Sn is taken out from the reaction vessel.
MnSi1.75-x Formula (3)
[In Formula (3), x is 0 or more and 0.13 or less. ]
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