JP2023163934A - Thermoelectric conversion material and method for producing the same, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module - Google Patents

Thermoelectric conversion material and method for producing the same, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module Download PDF

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和樹 今里
Kazuki Imazato
道広 太田
Michihiro Ota
フィリップ ザウアーシュニッヒ
Sauerschnig Philipp
敬雄 石田
Takao Ishida
淳 山本
Atsushi Yamamoto
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Abstract

To provide a novel thermoelectric conversion material which is low in thermal conductivity, exhibits excellent thermoelectric effects in the temperature range from room temperature to 500°C, and contains, as main constituents, a half-Heusler compound having semiconductor characteristics that can be adjusted to both P type and N type, and a method for producing the same, and also to provide a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module which include the thermoelectric conversion material.SOLUTION: Provided is a thermoelectric conversion material which contains at least magnesium (Mg), vanadium (Vd), nickel (Ni), and antimony (Sb), which has a composition represented by general formula: Mg2-pV1+pNi3Sb3-qMq (where, p and q satisfy -0.5≤p≤0.5 and 0≤q≤1.0, and M represents one or both of tin (Sn) and tellurium (Te)), and which contains, as main constituents, a half-Heusler compound.SELECTED DRAWING: Figure 17

Description

本発明は、熱電変換材料及びその製造方法、熱電変換素子、並びに熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material, a method for manufacturing the same, a thermoelectric conversion element, and a thermoelectric conversion module.

エネルギーの安定確保及び地球温暖化防止の流れを受けて、省エネルギー社会の実現が切望されている。この点、現在は一次供給エネルギーの約60%が熱エネルギーとして廃棄されており、排熱回収技術及びその普及が望まれている。そのような状況下で熱電発電モジュールや熱電冷却モジュールといった熱電変換モジュールが注目を浴びている。 In response to the trend toward securing a stable energy supply and preventing global warming, there is a strong desire to realize an energy-saving society. In this regard, currently about 60% of the primary energy supply is discarded as thermal energy, and waste heat recovery technology and its widespread use are desired. Under such circumstances, thermoelectric conversion modules such as thermoelectric generation modules and thermoelectric cooling modules are attracting attention.

熱電変換モジュールは、熱エネルギーと電気エネルギーの直接変換を可能とする固体素子である。機械的な稼働部が無いため、信頼性が高くメンテナンスフリーであるとともに静粛動作が可能という特徴がある。またエネルギー変換時に廃棄物を出さない。そのため熱電変換モジュールは環境共生型エネルギー技術として評価されている。 Thermoelectric conversion modules are solid-state devices that allow direct conversion of thermal energy and electrical energy. Since there are no mechanical moving parts, it is highly reliable, maintenance-free, and can operate quietly. Also, no waste is produced during energy conversion. Therefore, thermoelectric conversion modules are evaluated as an environmentally symbiotic energy technology.

熱電変換モジュールとして、熱電発電モジュールと熱電冷却モジュールが知られている。熱電発電モジュールは、材料に温度差を設けることで生じる熱起電力、つまり固体のゼーベック効果を利用して熱から電気を生み出す。これとは逆に、熱電冷却モジュール(ペルチェ冷却モジュール)は、材料に電位差を設けることで温度差が生じる現象、つまりペルチェ効果を利用する。いずれのモジュールでも、熱電変換材料(熱電材料)の性質、すなわち熱エネルギーと電気エネルギーを直接変換する性質を利用している。 Thermoelectric generation modules and thermoelectric cooling modules are known as thermoelectric conversion modules. Thermoelectric power generation modules generate electricity from heat by utilizing the thermoelectromotive force generated by creating a temperature difference in materials, that is, the Seebeck effect of solids. On the contrary, a thermoelectric cooling module (Peltier cooling module) utilizes the phenomenon in which a temperature difference is created by providing a potential difference in materials, that is, the Peltier effect. Both modules utilize the property of thermoelectric conversion materials (thermoelectric materials), that is, the property of directly converting thermal energy and electrical energy.

一般的な熱電変換モジュールの断面模式図の一例を図1に示す。熱電変換モジュール(10)はP型熱電変換素子(2)とN型熱電変換素子(4)とを備える。P型熱電変換素子(2)及びN型熱電変換素子は、いずれも熱電変換材料の成形体からなる。またP型熱電変換素子(2)とN型熱電変換素子(4)の上下には、これらの素子を直列結合する電極(6)が設けられている。さらにP型熱電変換素子(2)、N型熱電変換素子(4)、及び電極(6)の全てを上下から挟む一組のセラミック板(8)が設けられている。モジュールの上下方向に温度差を設けることで、この温度差に見合った電気を取り出すことができ、これにより熱電発電モジュールとして機能させることが可能である。逆に、モジュールに電流を流すことで、モジュールの上下に温度差を設けることができ、これにより熱電冷却モジュールとして働かせることができる。 An example of a schematic cross-sectional view of a general thermoelectric conversion module is shown in FIG. The thermoelectric conversion module (10) includes a P-type thermoelectric conversion element (2) and an N-type thermoelectric conversion element (4). Both the P-type thermoelectric conversion element (2) and the N-type thermoelectric conversion element are formed from molded bodies of thermoelectric conversion material. Further, electrodes (6) are provided above and below the P-type thermoelectric conversion element (2) and the N-type thermoelectric conversion element (4) to connect these elements in series. Furthermore, a set of ceramic plates (8) is provided that sandwich all of the P-type thermoelectric conversion element (2), the N-type thermoelectric conversion element (4), and the electrode (6) from above and below. By providing a temperature difference in the vertical direction of the module, it is possible to extract electricity commensurate with this temperature difference, thereby making it possible to function as a thermoelectric power generation module. Conversely, by passing current through the module, a temperature difference can be created between the top and bottom of the module, thereby allowing it to work as a thermoelectric cooling module.

熱電変換モジュールにおいて得られる最大エネルギー変換効率ηmaxは、熱電変換素子の熱電性能指数(無次元性能指数)ZTを用いて下記(1)式にしたがって求められる。なお熱電性能指数ZTは、性能指数Zと温度Tの積である。また下記(1)式において、Tは高温側温度(単位:K)、Tは低温側温度(単位:K)、Tは平均温度(単位:K)である。 The maximum energy conversion efficiency η max obtained in the thermoelectric conversion module is determined according to the following equation (1) using the thermoelectric figure of merit (dimensionalless figure of merit) ZT of the thermoelectric conversion element. Note that the thermoelectric figure of merit ZT is the product of the figure of merit Z and the temperature T. In the following equation (1), T H is the high temperature side temperature (unit: K), T C is the low temperature side temperature (unit: K), and T is the average temperature (unit: K).

Figure 2023163934000002
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上記(1)式の右辺における第1項は、理想的な熱機関における最大エネルギー変換効率(カルノー効率)である。一方で第2項は、熱電性能指数ZTが大きいほど高くなる。したがって、変換効率を大きくするためには、モジュールにかかる温度差(T-T)を大きくするとともに、熱電変換素子の熱電性能指数ZTを向上させることが有効である。 The first term on the right side of equation (1) above is the maximum energy conversion efficiency (Carnot efficiency) in an ideal heat engine. On the other hand, the second term increases as the thermoelectric figure of merit ZT increases. Therefore, in order to increase the conversion efficiency, it is effective to increase the temperature difference (T H −T C ) across the module and to improve the thermoelectric figure of merit ZT of the thermoelectric conversion element.

熱電変換材料の熱電特性は熱電性能指数zTで評価される。厳密に言えば、この熱電性能指数zTはモジュールの熱電性能指数ZTとは区別されるものの、素子の熱電性能ZTを高める上で指標となる。したがって、熱電変換モジュール(熱電発電モジュール、ペルチェ冷却モジュール)の性能向上を図る上で、モジュールが作動する動作域における材料の熱電性能指数zTの向上が求められる。 The thermoelectric properties of a thermoelectric conversion material are evaluated by the thermoelectric figure of merit zT. Strictly speaking, this thermoelectric figure of merit zT is distinguished from the thermoelectric figure of merit ZT of the module, but it serves as an index for improving the thermoelectric performance ZT of the element. Therefore, in order to improve the performance of a thermoelectric conversion module (thermoelectric generation module, Peltier cooling module), it is required to improve the thermoelectric figure of merit zT of the material in the operating range in which the module operates.

熱電変換材料の熱電性能指数zTは下記(2)式にしたがって求められる。なお下記(2)式において、Sは材料のゼーベック係数、σは導電率、Tは温度、κtotalは熱伝導率、PFはパワーファクターである。また熱伝導率κtotalは、格子熱伝導率κlatと電子熱伝導率κelの和(κlat+κel)である。ここで格子熱伝導率κlatは、熱伝導率κtotalのうち、量子化された格子振動、つまりフォノンが熱のキャリアとなる部分に相当する。また電子熱伝導率κelは、電子又は正孔が熱のキャリアとなる部分に相当する。 The thermoelectric figure of merit zT of the thermoelectric conversion material is determined according to the following equation (2). In the following equation (2), S is the Seebeck coefficient of the material, σ is the electrical conductivity, T is the temperature, κ total is the thermal conductivity, and PF is the power factor. The thermal conductivity κ total is the sum of the lattice thermal conductivity κ lat and the electronic thermal conductivity κ ellatel ). Here, the lattice thermal conductivity κ lat corresponds to a portion of the thermal conductivity κ total in which quantized lattice vibrations, that is, phonons serve as heat carriers. Further, the electronic thermal conductivity κ el corresponds to a portion where electrons or holes become heat carriers.

Figure 2023163934000003
Figure 2023163934000003

上記(2)式を見て分かるように、性能指数zTを高めるためには、ゼーベック係数S及び導電率σを高めると同時に、熱伝導率κtotal(=κlat+κel)を小さくすることが重要である。しかしながら、ゼーベック係数、導電率及び電子伝導率は、いずれもキャリア濃度の関数であるため、これらを独立に制御することが困難である。具体的には、キャリア濃度が高いほど導電率は高くなるものの、ゼーベック係数は小さくなる。また高い導電率と小さい電子熱伝導率は二律相反の関係にある。したがって、zTを高めるためには、パワーファクターPFが最大となるようにキャリア濃度を調整するとともに、格子熱伝導率(κlat)をなるべく小さくすることが有効である。キャリア濃度が適切な範囲内に調整された熱電変換材料は、通常は有限のバンドギャップを有するN型又はP型半導体である。 As can be seen from equation (2) above, in order to increase the figure of merit zT, it is necessary to increase the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ and at the same time reduce the thermal conductivity κ total (=κ lat + κ el ). is important. However, since the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and electronic conductivity are all functions of carrier concentration, it is difficult to control them independently. Specifically, the higher the carrier concentration, the higher the conductivity, but the smaller the Seebeck coefficient. Furthermore, high electrical conductivity and low electronic thermal conductivity are in an antinomic relationship. Therefore, in order to increase zT, it is effective to adjust the carrier concentration so that the power factor PF is maximized and to make the lattice thermal conductivity (κ lat ) as small as possible. A thermoelectric conversion material whose carrier concentration is adjusted within an appropriate range is usually an N-type or P-type semiconductor with a finite bandgap.

従来からN型熱電変換材料としてBiTe、PbTb、CoSb、及びLaTeなどの化合物が知られている。またP型熱電変換材料としてSnSe、BiSbTe,MgAgSb、NaPbSbTem+2、(GeTe)0.8(AgSbTe0.2、及びPbTe-4SrTe-2Naなどの化合物が知られている。これらの化合物は、性能指数zTが比較的高い。しかしながら、コバルト(Co)、鉛(Pb)、及び銀(Ag)、ゲルマニウム(Ge)といった有害あるいは希少な元素を含んでいる。そのため、自動車や工場からの排熱回生といった熱電発電の実用化・産業化を図る上で、有害・希少元素を含まず、使用温度域で高い性能指数を示す高性能熱電変換材料が求められている。そして、このような材料として、ホイスラー型化合物、特にハーフホイスラー型化合物が有望視されている。 Conventionally, compounds such as Bi 2 Te 3 , PbTb, CoSb 3 , and La 3 Te 4 have been known as N-type thermoelectric conversion materials. Furthermore, compounds such as SnSe, BiSbTe, MgAgSb, NaPb m SbTe m+2 , (GeTe) 0.8 (AgSbTe 2 ) 0.2 , and PbTe-4SrTe-2Na are known as P-type thermoelectric conversion materials. These compounds have a relatively high figure of merit zT. However, it contains harmful or rare elements such as cobalt (Co), lead (Pb), silver (Ag), and germanium (Ge). Therefore, in order to commercialize and industrialize thermoelectric power generation such as exhaust heat regeneration from automobiles and factories, there is a need for high-performance thermoelectric conversion materials that do not contain harmful or rare elements and exhibit a high performance index in the operating temperature range. There is. As such materials, Heusler-type compounds, particularly half-Heusler-type compounds, are considered to be promising.

ハーフホイスラー型化合物では、成分元素の組み合わせが豊富である。そのため有害・希少元素を含まない組成の設計が可能であり、無毒であるとともに安価な材料を得ることができる。また機械的強度が高く、高温でも安定的に使用可能という利点がある。したがって、ハーフホイスラー型化合物を主成分とする熱電変換材料は、主に自動車の排熱回生デバイスに応用できる有望な材料として注目されている。 Half-Heusler type compounds have a wide variety of combinations of component elements. Therefore, it is possible to design a composition that does not contain harmful or rare elements, and it is possible to obtain a non-toxic and inexpensive material. It also has the advantage of high mechanical strength and can be used stably even at high temperatures. Therefore, thermoelectric conversion materials mainly composed of half-Heusler type compounds are attracting attention as promising materials that can be applied mainly to exhaust heat regeneration devices for automobiles.

特許文献1には、金属間化合物[TiZrHf][NiCo][SnSb]から成るハーフホイスラー合金の固相を生成させる熱電材料の製造方法が開示されている。非特許文献1には、ハーフホイスラー相であるScNiSb1-xTeの特性を調べることが開示されている(非特許文献1のAbstract等)。非特許文献2には、MgNiSb等の組成を有する化合物の熱電特性を調べることが開示されている(非特許文献2の全文)。非特許文献3には、TiFeNiSbダブルハーフホイスラー化合物にスズドープすることが開示されている(非特許文献3のAbstract)。 Patent Document 1 discloses a method for producing a thermoelectric material in which a solid phase of a half-Heusler alloy consisting of intermetallic compounds [Ti a Zr b Hf c ] [ Nid Co e ] [Sn f Sb g ] is generated. . Non-Patent Document 1 discloses investigating the characteristics of ScNiSb 1-x Te x , which is a half-Heusler phase (Abstract of Non-Patent Document 1, etc.). Non-Patent Document 2 discloses investigating the thermoelectric properties of a compound having a composition such as MgNiSb (full text of Non-Patent Document 2). Non-Patent Document 3 discloses doping a Ti 2 FeNiSb 2 double-half Heusler compound with tin (Abstract of Non-Patent Document 3).

特開2009-084689号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-084689

Kamil Ciesielski et al., Mobility Ratio as a Probe for Guiding Discovery of Thermoelectric Materials: The Case of Half-Heusler Phase ScNiSb1-xTex, PHYSICAL REVIEW APPLIED 15,044047 (2021)Kamil Ciesielski et al., Mobility Ratio as a Probe for Guiding Discovery of Thermoelectric Materials: The Case of Half-Heusler Phase ScNiSb1-xTex, PHYSICAL REVIEW APPLIED 15,044047 (2021) A.V.Morozkin et al., Thermoelectric properties of ScCoSb, ScNi0.86Sb and MgNiSb compounds, Journal of Alloys and Compounds 400 (2005) 62-66A.V.Morozkin et al., Thermoelectric properties of ScCoSb, ScNi0.86Sb and MgNiSb compounds, Journal of Alloys and Compounds 400 (2005) 62-66 Rahidul Hasan et al., Enhanced Thermoelectric Properties of Ti2FeNiSb2 Double Half-Heusler Compound by Sn Doping, Adv. Energy Sustainability Res. 2022, 2100206Rahidul Hasan et al., Enhanced Thermoelectric Properties of Ti2FeNiSb2 Double Half-Heusler Compound by Sn Doping, Adv. Energy Sustainability Res. 2022, 2100206

このように、種々の利点を有するハーフホイスラー型化合物を熱電変換材料に用いることが従来から提案されるものの、従来のハーフホイスラー型化合物は、その熱伝導率が高いという問題がある。すなわち、上記(2)式を見て分かるように、熱電性能指数zTは熱伝導率κtotal(=κlat+κel)に反比例するため、熱伝導率が小さいほど熱電性能指数zTは高くなる。しかしながら、従来のハーフホイスラー型化合物は熱伝導率、特に格子熱伝導率κlatが高く、熱電性能指数zTを高める上で限界があった。 Although it has been proposed in the past to use half-Heusler compounds, which have various advantages, as thermoelectric conversion materials, conventional half-Heusler compounds have a problem in that they have high thermal conductivity. That is, as can be seen from equation (2) above, the thermoelectric figure of merit zT is inversely proportional to the thermal conductivity κ total (=κ lat + κ el ), so the smaller the thermal conductivity, the higher the thermoelectric figure of merit zT. However, conventional half-Heusler type compounds have a high thermal conductivity, particularly a high lattice thermal conductivity κ lat , and there is a limit to increasing the thermoelectric figure of merit zT.

本発明者らは、このような問題点に鑑みて鋭意検討を行った。その結果、価数の異なるマグネシウム(Mg)とバナジウム(V)を異なる割合で同一原子サイトに組み込むことで、ハーフホイスラー型化合物を主成分とする新規な熱電変換材料を合成できるとの知見を得た。また、この熱電変換材料は熱伝導率が低く、室温から500℃の温度範囲において優れた熱電効果を示すことを見出した。さらに組成を微調整することで、熱電変換材料の特性をP型及びN型のいずれにも制御可能との知見を得た。 The present inventors conducted extensive studies in view of such problems. As a result, they found that by incorporating magnesium (Mg) and vanadium (V), which have different valences, in different ratios into the same atomic site, it is possible to synthesize a new thermoelectric conversion material that has a half-Heusler type compound as its main component. Ta. It has also been found that this thermoelectric conversion material has low thermal conductivity and exhibits excellent thermoelectric effects in the temperature range from room temperature to 500°C. Furthermore, they found that by finely adjusting the composition, it is possible to control the properties of the thermoelectric conversion material to either P-type or N-type.

本発明は、このような知見に基づき完成されたものであり、熱伝導率が低く、室温から500℃の温度範囲において優れた熱電効果を示すとともに、半導体特性をP型及びN型のいずれにも調整可能なハーフホイスラー型化合物を主成分とする新規な熱電変換材料及びその製造方法の提供を課題とする。また本発明は、この熱電変換材料を含む熱電変換素子や熱電変換モジュールの提供をも課題とする。 The present invention was completed based on such findings, and has low thermal conductivity, exhibits excellent thermoelectric effects in the temperature range from room temperature to 500°C, and has semiconductor characteristics that can be changed to either P-type or N-type. An object of the present invention is to provide a new thermoelectric conversion material whose main component is a half-Heusler type compound that can be adjusted, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module containing this thermoelectric conversion material.

本発明は、下記(1)~(14)の態様を包含する。なお本明細書において、「~」なる表現は、その両端の数値を含む。すなわち「X~Y」は「X以上Y以下」と同義である。 The present invention includes the following aspects (1) to (14). Note that in this specification, the expression "~" includes numerical values at both ends thereof. That is, "X to Y" is synonymous with "more than or equal to X and less than or equal to Y."

(1)マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含み、一般式:Mg2―p1+pNiSb3-q(但し、pとqは、-0.5≦p≦0.5及び0≦q≦1.0を満足し、Mはスズ(Sn)及びテルル(Te)の一方又は両方)で表される組成を有し、
ハーフホイスラー型化合物を主成分とする、熱電変換材料。
(1) Contains at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb), and has the general formula: Mg 2-p V 1+p Ni 3 Sb 3-q M q (however, p and q satisfies -0.5≦p≦0.5 and 0≦q≦1.0, M has a composition represented by one or both of tin (Sn) and tellurium (Te),
A thermoelectric conversion material whose main component is a half-Heusler type compound.

(2)前記熱電変換材料がハーフホイスラー型化合物の単相で構成される、上記(1)の熱電変換材料。 (2) The thermoelectric conversion material according to (1) above, wherein the thermoelectric conversion material is composed of a single phase of a half-Heusler type compound.

(3)前記熱電変換材料が多結晶体である、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (3) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the thermoelectric conversion material is polycrystalline.

(4)前記熱電変換材料がP型半導体特性を示す、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (4) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the thermoelectric conversion material exhibits P-type semiconductor characteristics.

(5)前記熱電変換材料がN型半導体特性を示す、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (5) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the thermoelectric conversion material exhibits N-type semiconductor characteristics.

(6)前記熱電変換材料の熱伝導率(κtotal)が300K以上800K以下の温度域において6.0W/(mK)以下である、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (6) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the thermoelectric conversion material has a thermal conductivity (κ total ) of 6.0 W/(mK) or less in a temperature range of 300 K or more and 800 K or less.

(7)前記熱電変換材料のパワーファクター(PF)が300K以上800K以下の温度域において0.2mW/(mK)以上である、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (7) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the power factor (PF) of the thermoelectric conversion material is 0.2 mW/(mK 2 ) or more in a temperature range of 300 K or more and 800 K or less.

(8)前記熱電変換材料のパワーファクター(PF)が600K以上800K以下の温度域において0.5mW/(mK)以上である、上記(1)又は(2)の熱電変換材料。 (8) The thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, wherein the power factor (PF) of the thermoelectric conversion material is 0.5 mW/(mK 2 ) or more in a temperature range of 600 K or more and 800 K or less.

(9)上記(1)又は(2)の熱電変換材料の製造方法であって、以下の工程;
マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含む混合原料を準備する工程:
前記混合原料にメカニカルアロイング処理を施してメカニカルアロイング処理物を作製する工程:及び
前記メカニカルアロイング処理物を加圧焼結する工程
を含む方法。
(9) A method for producing the thermoelectric conversion material according to (1) or (2) above, comprising the following steps;
Step of preparing a mixed raw material containing at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb):
A method comprising: performing mechanical alloying on the mixed raw material to produce a mechanically alloyed product; and pressurizing and sintering the mechanically alloyed product.

(10)前記混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び凝固して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、前記溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を前記混合原料として用いる、上記(9)の方法。 (10) When preparing the mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and solidified to produce a molten solidified product, and the The method according to (9) above, wherein a magnesium (Mg) source is further mixed into the molten solidified material, and the mixture of the molten solidified material and the magnesium (Mg) source is used as the mixed raw material.

(11)前記混合原料を準備する際に、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、前記溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を前記混合原料として用いる、上記(9)の方法。 (11) When preparing the mixed raw material, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product, and magnesium is added to the molten solidified product. The method according to (9) above, wherein a (Mg) source is mixed and a mixture of the molten solidified product and the magnesium (Mg) source is used as the mixed raw material.

(12)前記混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物を前記混合原料として用いる、上記(9)の方法。 (12) When preparing the mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product, and the The method according to (9) above, wherein a molten solidified product is used as the mixed raw material.

(13)上記(1)又は(2)の熱電変換材料を含む熱電変換素子。 (13) A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material of (1) or (2) above.

(14)上記(13)の熱電変換素子を備えた熱電変換モジュール。 (14) A thermoelectric conversion module comprising the thermoelectric conversion element of (13) above.

本発明によれば、熱伝導率が低く、室温から500℃の温度範囲において優れた熱電効果を示すとともに、半導体特性をP型及びN型のいずれにも調整可能なハーフホイスラー型化合物を主成分とする新規な熱電変換材料及びその製造方法が提供される。また本発明によれば、この熱電変換材料を含む熱電変換素子や熱電変換モジュールが提供される。 According to the present invention, the main component is a half-Heusler type compound that has low thermal conductivity, exhibits an excellent thermoelectric effect in the temperature range from room temperature to 500°C, and whose semiconductor characteristics can be adjusted to either P-type or N-type. A novel thermoelectric conversion material and a method for manufacturing the same are provided. Further, according to the present invention, a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion module including this thermoelectric conversion material are provided.

熱電変換モジュールの構造を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a thermoelectric conversion module. トリプルハーフホイスラー(THH)型化合物MgVNiSbの結晶構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal structure of triple half-Heusler (THH) type compound Mg 2 VNi 3 Sb 3 . トリプルハーフホイスラー(THH)型化合物の説明に供する図面である。FIG. 2 is a diagram illustrating a triple half-Heusler (THH) type compound. X線回折パターンを示す(実施例1~3)。The X-ray diffraction patterns are shown (Examples 1 to 3). 元素マッピング像を示す(実施例2)。An elemental mapping image is shown (Example 2). ゼーベック係数Sの温度変化を示す(実施例1~3)。2 shows temperature changes in Seebeck coefficient S (Examples 1 to 3). パワーファクターPFの温度変化を示す(実施例1~3)。The temperature change of power factor PF is shown (Examples 1 to 3). 熱伝導率κtotalの温度変化を示す(実施例1及び2)。2 shows the temperature change in thermal conductivity κ total (Examples 1 and 2). 格子熱伝導率κlatの温度変化を示す(実施例1及び2)。Figure 2 shows temperature changes in lattice thermal conductivity κ lat (Examples 1 and 2). 熱電性能指数zTの温度変化を示す(実施例1及び2)。2 shows temperature changes in thermoelectric figure of merit zT (Examples 1 and 2). パワーファクターPFの繰り返し試験結果を示す(実施例1)。The results of repeated tests on power factor PF are shown (Example 1). TG/DTA分析結果を示す(実施例2)。TG/DTA analysis results are shown (Example 2). ゼーベック係数Sの温度変化を示す(実施例4~7)。2 shows temperature changes in Seebeck coefficient S (Examples 4 to 7). ゼーベック係数Sの温度変化を示す(実施例8~14)。2 shows temperature changes in Seebeck coefficient S (Examples 8 to 14). 熱伝導率κtotalの温度変化を示す(実施例4,5,8,9,13,及び14)。Figure 2 shows the temperature change in thermal conductivity κ total (Examples 4, 5, 8, 9, 13, and 14). 格子熱伝導率κlatの温度変化を示す(実施例4,5,8,9,13,及び14)。Figure 3 shows temperature changes in lattice thermal conductivity κ lat (Examples 4, 5, 8, 9, 13, and 14). 各種ハーフホイスラー型化合物の格子熱伝導率κlatの大きさを対比して示す。The magnitude of the lattice thermal conductivity κ lat of various half-Heusler type compounds is shown in comparison.

本発明の具体的実施形態(以下、「本実施形態」という)について説明する。なお本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変更が可能である。 A specific embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

<<1.熱電変換材料>>
本実施形態の熱電変換材料は、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含み、一般式:Mg2―p1+pNiSb3-q(但し、pとqは、-0.5≦p≦0.5及び0≦q≦1.0を満足し、Mはスズ(Sn)及びテルル(Te)の一方又は両方)で表される組成を有し、ハーフホイスラー型化合物を主成分とする。
<<1. Thermoelectric conversion materials >>
The thermoelectric conversion material of this embodiment includes at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb), and has the general formula: Mg 2-p V 1+p Ni 3 Sb 3-q M q (However, p and q satisfy -0.5≦p≦0.5 and 0≦q≦1.0, and M is represented by one or both of tin (Sn) and tellurium (Te)) The main component is a half-Heusler type compound.

本実施形態の熱電変換材料は、ハーフホイスラー型化合物を主成分とする。ここで、主成分とは、熱電変換材料中のハーフホイスラー型化合物の含有量が50質量%以上であることを意味する。ハーフホイスラー型化合物の優れた特性を活かす観点から、主成分含有量は多いほど好ましい。含有量は60質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、80質量%以上がさらに好ましく、90質量%以上が特に好ましい。X線回折パターンに基づき定義すれば、ハーフホイスラー型化合物に由来するメインピークのピーク強度(IHH)に対する異相由来のメインピークのピーク強度(IHP)の比(IHP/IHH)は0.4以下が好ましく、0.3以下がより好ましく、0.2以下がさらに好ましく、0.1以下が特に好ましい。最も好ましくは、熱電変換材料がハーフホイスラー型化合物の単相で構成される。ここで、単相で構成されるとは、X線回折パターンにおけるピーク強度比(IHP/IHH)がゼロ(0)であることを意味する。 The thermoelectric conversion material of this embodiment has a half-Heusler type compound as a main component. Here, the main component means that the content of the half-Heusler type compound in the thermoelectric conversion material is 50% by mass or more. From the viewpoint of taking advantage of the excellent properties of the half-Heusler type compound, the content of the main component is preferably as high as possible. The content is preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, and particularly preferably 90% by mass or more. If defined based on the X-ray diffraction pattern, the ratio ( I HP / I HH ) of the peak intensity of the main peak derived from the half-Heusler type compound (I HH ) to the peak intensity of the main peak derived from the different phase (I HP ) is 0. .4 or less is preferable, 0.3 or less is more preferable, 0.2 or less is even more preferable, and 0.1 or less is particularly preferable. Most preferably, the thermoelectric conversion material is composed of a single phase of a half-Heusler type compound. Here, being composed of a single phase means that the peak intensity ratio (I HP /I HH ) in the X-ray diffraction pattern is zero (0).

ハーフホイスラー型化合物は、化学式:XYZで表記される化合物であり、立方晶の結晶構造をもつ。ハーフホイスラー型化合物の結晶構造を図2に示す。ハーフホイスラー型化合物の結晶では、X原子とZ原子が岩塩型構造を構成し、Y原子が構造内にある8個の副格子のうち4個の副格子を占める。本実施形態の主成分化合物の組成式:Mg2―p1+pNiSb3-qを化学式(XYZ)に即して書き直すと、(Mg2/3―p/31/3+p/3)Ni(Sb1-q/3q/3)と表される。これから分かるように、マグネシウム(Mg)とバナジウム(V)がX原子サイトを占める。またニッケル(Ni)がY原子サイトを占め、アンチモン(Sb)及びM元素(Sn及び/又はTe)がZ原子サイトを占める。 A half-Heusler type compound is a compound represented by the chemical formula: XYZ and has a cubic crystal structure. The crystal structure of the half-Heusler type compound is shown in FIG. In the crystal of a half-Heusler type compound, X and Z atoms constitute a rock salt type structure, and Y atoms occupy four of the eight sublattices in the structure. Compositional formula of the main component compound of this embodiment: Mg 2-p V 1+p Ni 3 Sb 3-q If M q is rewritten according to the chemical formula (XYZ), (Mg 2/3-p/3 V 1/3+p /3 ) Ni (Sb 1-q/3 M q/3 ). As can be seen, magnesium (Mg) and vanadium (V) occupy the X atom site. Further, nickel (Ni) occupies the Y atomic site, and antimony (Sb) and M elements (Sn and/or Te) occupy the Z atomic site.

ハーフホイスラー型化合物は、総価電子数が18のときにバンドギャップが存在し、半導体的性質を示す。その結果、大きなパワーファクターPFを有することが知られている。これを18電子ルールと呼ぶ。本実施形態の熱電変換材料は、p=q=0のときに、2価となるマグネシウム(Mg)原子と5価となるバナジウム(V)の個数割合は2:1となり、そのときのX原子(Mg、V)の平均価数は3価となる。したがって、X原子(Mg、V)の平均価数(3価)とY原子(Ni)の価数(10価)とZ原子(Sb)の価数(5価)の合計は18となり、18電子ルールに従う。そのため、この組成近傍で熱電特性が高くなると期待される。 A half-Heusler type compound has a band gap when the total number of valence electrons is 18, and exhibits semiconductor properties. As a result, it is known to have a large power factor PF. This is called the 18 electronic rule. In the thermoelectric conversion material of this embodiment, when p=q=0, the number ratio of divalent magnesium (Mg) atoms and pentavalent vanadium (V) atoms is 2:1, and the X atoms at that time The average valence of (Mg, V) is trivalent. Therefore, the sum of the average valence of the X atoms (Mg, V) (trivalent), the valence of the Y atom (Ni) (10 valence), and the valence of the Z atom (Sb) (5 valence) is 18, which is 18 Follow electronic rules. Therefore, it is expected that the thermoelectric properties will be high near this composition.

上述したように、本実施形態のハーフホイスラー型化合物において、X原子サイトを占めるマグネシウム(Mg)は2価元素であるのに対し、バナジウム(V)は5価元素である。またMgとVの割合は略2:1となり、当量ではない。ハーフホイスラー型化合物MgVNiSbは、図3に示すようにMgNiSbとVNiSbとが略2:1の割合で固溶した金属間化合物と見なすことができる。なお図3では、参考のため従来の3元系ハーフホイスラー型化合物ScNiSbを併せて示す。このように複数種の価数の異なる元素(異価元素)を異なる割合で同一原子サイトに含む化合物をトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物と呼ぶ。トリプルハーフホイスラー(THH)型化合物は熱伝導率が小さく、そのため優れた熱電特性を示すポテンシャルがある。“トリプル”は式単位の三重化を意味し、よく知られたものとしてダブルペロブスカイト(通常ABOに対してAB’B”O)などが挙げられる。 As described above, in the half-Heusler type compound of this embodiment, magnesium (Mg) occupying the X atom site is a divalent element, whereas vanadium (V) is a pentavalent element. Further, the ratio of Mg and V is approximately 2:1, which is not equivalent. The half-Heusler type compound Mg 2 VNi 3 Sb 3 can be regarded as an intermetallic compound in which MgNiSb and VNiSb are dissolved in solid solution at a ratio of approximately 2:1, as shown in FIG. Note that in FIG. 3, a conventional ternary half-Heusler type compound ScNiSb is also shown for reference. A compound containing a plurality of elements with different valences (different valence elements) in different proportions at the same atomic site is called a triple half-Heusler (THH) type compound. Triple half-Heusler (THH) type compounds have low thermal conductivity and therefore have the potential to exhibit excellent thermoelectric properties. "Triple" means triplicate of formula units, and well-known examples include double perovskites (usually A 2 B'B"O 6 for ABO 3 ).

この点、従来から提案される化合物はトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物ではない。例えば、特許文献1で開示される合金[TiZrHf][NiCo][SnSb]は、いずれも4価であるチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)及びハフニウム(Hf)をX原子サイトに含んでおり、異価元素を同一原子サイトに含んでいない。また非特許文献3で開示されるダブルハーフホイスラー(DHH)化合物TiFeNiSbは、異価元素であるFeとNiをY原子サイトに含むものの、その割合は同一(1:1)である。このダブルハーフホイスラー(DHH)型化合物TiFeNiSbは、TiFeSbとTiNiSbが1:1の割合で固溶した金属間化合物と見なすことができ、トリプルハーフホイスラー型化合物とは明確に異なる。 In this regard, the conventionally proposed compounds are not triple half-Heusler (THH) type compounds. For example, the alloy [Ti a Zr b Hf c ] [ Nid Co e ] [Sn f Sb g ] disclosed in Patent Document 1 contains titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (all of which are tetravalent). Hf) is included at the X atomic site, and no different element is included at the same atomic site. Further, the double-half-Heusler (DHH) compound Ti 2 FeNiSb 2 disclosed in Non-Patent Document 3 contains Fe and Ni, which are heterovalent elements, at the Y atom site, but the ratio thereof is the same (1:1). This double-half-Heusler (DHH) type compound Ti 2 FeNiSb 2 can be regarded as an intermetallic compound in which TiFeSb and TiNiSb are dissolved in a solid solution at a ratio of 1:1, and is clearly different from the triple-half-Heusler type compound.

トリプルハーフホイスラー(THH)型化合物を主成分とする本実施形態の熱電変換材料は、熱伝導率κtotal、特に格子熱伝導率κlatが小さいという特徴がある。その詳細なメカニズムは不明であり、限定的に解釈されるべきではない。しかしながら、次に示すメカニズムが考えられる。 The thermoelectric conversion material of this embodiment, which has a triple half-Heusler (THH) type compound as its main component, is characterized by a low thermal conductivity κ total , particularly a low lattice thermal conductivity κ lat . The detailed mechanism is unknown and should not be interpreted in a restrictive manner. However, the following mechanism can be considered.

格子熱伝導率κlatは、下記(3)式に示すように格子比熱C、音速v及びフォノン平均自由行程lの積に比例する。ここでフォノンは結晶中の量子化された格子振動である。 The lattice thermal conductivity κ lat is proportional to the product of the lattice specific heat C, the sound velocity v, and the phonon mean free path l, as shown in equation (3) below. Here, phonons are quantized lattice vibrations in the crystal.

Figure 2023163934000004
Figure 2023163934000004

本実施形態のトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物において、同一原子サイトを占めるマグネシウム(Mg)原子とバナジウム(V)原子は、価数が異なるとともに、その質量が大きく異なる。また本発明者らが調べたところ、Mg原子とV原子はX原子サイトにおいて不規則配列することが分かった。価数及び質量の異なる原子(Mg、V)が不規則配列することで、格子の周期性に乱れが生じたのではないかと推測している。また格子の周期性に乱れが生じることで、フォノン、特に長周期フォノンが散乱されやすくなり、その結果、平均自由行程lが小さくなり、格子熱伝導率κlatが小さくなったと考えている。 In the triple half-Heusler (THH) type compound of this embodiment, the magnesium (Mg) atom and the vanadium (V) atom occupying the same atomic site have different valences and greatly differ in mass. Further, the present inventors investigated and found that Mg atoms and V atoms are irregularly arranged at the X atom site. It is speculated that the irregular arrangement of atoms (Mg, V) with different valences and masses may have caused disturbances in the periodicity of the lattice. It is also believed that due to the disturbance in the periodicity of the lattice, phonons, especially long-period phonons, are more likely to be scattered, and as a result, the mean free path l becomes smaller and the lattice thermal conductivity κ lat becomes smaller.

本実施形態の熱電変換材料は、半導体的性質を有するが故に、金属に比べてキャリア濃度が小さく、電子や正孔が熱伝導の担い手となる電子熱伝導率κelが小さい。格子熱伝導率κlat及び電子熱伝導率κelの双方が小さくなることで、これらの和である熱伝導率κtotalが小さくなったと考えている。 Since the thermoelectric conversion material of this embodiment has semiconducting properties, it has a lower carrier concentration than metals, and has a lower electronic thermal conductivity κ el in which electrons and holes are responsible for heat conduction. It is believed that because both the lattice thermal conductivity κ lat and the electron thermal conductivity κ el become smaller, the thermal conductivity κ total , which is the sum of these, becomes smaller.

pは-0.5以上0.5以下(-0.5≦p≦0.5)の範囲内に限定される。pはバナジウム(V)過剰量を表す。すなわち、p=0のときに18電子ルールに従う組成となる。これに対して、p>0のときにV過剰組成となり、またp<0のときMg過剰組成となる。上述した範囲内でpを調整することで、熱電変換材料の半導体特性をP型又はN型に制御することができる。しかしながら、pが-0.5未満あるいは0.5超になると、18電子ルールからのズレが大きくなる。また異相が生成し易くなるため、熱電特性、特にゼーベック係数Sの低下が顕著となる。pは-0.3以上0.3以下(-0.3≦p≦0.3)であってよく、-0.2以上0以下(-0.2≦p≦0)であってよい。 p is limited to a range of −0.5 or more and 0.5 or less (−0.5≦p≦0.5). p represents an excess amount of vanadium (V). That is, when p=0, the composition follows the 18-electron rule. On the other hand, when p>0, the composition becomes excessive V, and when p<0, the composition becomes excessive Mg. By adjusting p within the above range, the semiconductor characteristics of the thermoelectric conversion material can be controlled to P-type or N-type. However, when p becomes less than -0.5 or more than 0.5, the deviation from the 18-electron rule becomes large. Furthermore, since different phases are likely to be generated, the thermoelectric properties, particularly the Seebeck coefficient S, are significantly reduced. p may be -0.3 or more and 0.3 or less (-0.3≦p≦0.3), and may be -0.2 or more and 0 or less (-0.2≦p≦0).

qは0以上1.0以下(0≦q≦1.0)の範囲内に限定される。qは、ドーパントとして働くスズ(Sn)及び/又はテルル(Te)のドーピング量である。上述した範囲内でqを調整することで、熱電変換材料のキャリアタイプ(P型、N型)またはキャリア濃度を制御することができる。しかしながらqが1.0超であると、ドーパント量が過剰となる結果、キャリア濃度の増加に伴って熱電特性、特にゼーベック係数の低下が顕著となると同時に、異相も生成しやすくなる。qは0以上0.5以下であってよく、0以上0.3以下であってよい。qはゼロ(0)であってもよい。またドーパントはスズ(Sn)及びテルル(Te)の少なくとも一方である。ドーパントはSnのみであってよく、Teのみであってよく、あるいはSn及びTeの両方であってよい。 q is limited to a range of 0 to 1.0 (0≦q≦1.0). q is the doping amount of tin (Sn) and/or tellurium (Te), which act as dopants. By adjusting q within the above range, the carrier type (P type, N type) or carrier concentration of the thermoelectric conversion material can be controlled. However, when q is more than 1.0, the amount of dopant becomes excessive, and as a result, the thermoelectric properties, especially the Seebeck coefficient, decrease significantly as the carrier concentration increases, and at the same time, foreign phases are also likely to be generated. q may be 0 or more and 0.5 or less, and may be 0 or more and 0.3 or less. q may be zero (0). Further, the dopant is at least one of tin (Sn) and tellurium (Te). The dopant may be Sn only, Te only, or both Sn and Te.

本実施形態の熱電変換材料は緻密であることが好ましい。緻密な材料はゼーベック係数S及び導電率σが高い。そのため、パワーファクターPF及び熱電性能指数zTをより一層高めることが可能である。熱電変換材料の相対密度は80%以上が好ましく、90%以上がより好ましく、95%以上がさらに好ましい。 The thermoelectric conversion material of this embodiment is preferably dense. Dense materials have a high Seebeck coefficient S and conductivity σ. Therefore, it is possible to further increase the power factor PF and the thermoelectric figure of merit zT. The relative density of the thermoelectric conversion material is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more.

本実施形態の熱電変換材料は、多結晶体であってもよく、あるいは単結晶体であってもよい。しかしながら多結晶体、特に焼結体であることが好ましい。後述するように、本実施形態の熱電変換材料では、組成及び結晶構造が均質な多結晶体を容易に得ることができる。また多結晶体では結晶粒界でフォノンが散乱して、それにより格子熱伝導率がさらに低減する効果を期待できる。これに対して単結晶体はその製造が容易ではない。特に本実施形態の熱電変換材料は融点及び蒸気圧の異なる複数の成分を含むため、均質な単結晶体を製造することが困難である。熱電変換材料が多結晶体である場合、その粒径は限定されない。しかしながら、典型的には平均粒径は100nm以上100μm以下、500nm以上100μm以下、または10μm以上50μm以下である。 The thermoelectric conversion material of this embodiment may be polycrystalline or single crystalline. However, polycrystalline bodies, especially sintered bodies, are preferred. As described later, in the thermoelectric conversion material of this embodiment, a polycrystalline body having a homogeneous composition and crystal structure can be easily obtained. Furthermore, in polycrystalline materials, phonons are scattered at grain boundaries, which can be expected to further reduce lattice thermal conductivity. On the other hand, single crystals are not easy to manufacture. In particular, since the thermoelectric conversion material of this embodiment includes a plurality of components having different melting points and vapor pressures, it is difficult to produce a homogeneous single crystal. When the thermoelectric conversion material is polycrystalline, its particle size is not limited. However, typically the average particle size is 100 nm or more and 100 μm or less, 500 nm or more and 100 μm or less, or 10 μm or more and 50 μm or less.

本実施形態の熱電変換材料はP型半導体特性を示すものであってよい。あるいはN型半導体特性を示すものであってもよい。熱電変換材料の半導体特性(P型、N型)は、バナジウム(V)過剰量pやドーパント量qを制御することで調整できる。特に本実施形態のP型熱電変換材料とN型熱電変換材料の両方を組み合わせて用いることで、同一材料系で熱電変換モジュールを作製することが可能である。同一材料系の熱電変換モジュールは、材料の熱膨張係数の違いによる応力発生及びそれによる特性や信頼性の劣化を防ぐことができる。そのため、熱電変換モジュールを同一材料系で構成することは、実用化に向けた重要な要素である。 The thermoelectric conversion material of this embodiment may exhibit P-type semiconductor characteristics. Alternatively, it may exhibit N-type semiconductor characteristics. The semiconductor properties (P type, N type) of the thermoelectric conversion material can be adjusted by controlling the excess vanadium (V) amount p and the dopant amount q. In particular, by using both the P-type thermoelectric conversion material and the N-type thermoelectric conversion material of this embodiment in combination, it is possible to produce a thermoelectric conversion module using the same material system. Thermoelectric conversion modules made of the same material can prevent the generation of stress due to differences in the thermal expansion coefficients of the materials and the resulting deterioration of characteristics and reliability. Therefore, constructing thermoelectric conversion modules using the same material system is an important element toward practical use.

本実施形態の熱電変換材料には、熱伝導率が低いという特徴がある。限定される訳ではないが、熱電変換材料の熱伝導率κtotalは、300K以上800K以下の温度域において、好ましくは10.0W/(mK)以下、より好ましくは8.0W/(mK)以下、さらに好ましくは6.0W/(mK)以下である。また格子熱電度率κlatは、300K以上800K以下の温度域において、好ましくは5.0W/(mK)以下、より好ましくは4.0W/(mK)以下、さらに好ましくは3.0W/(mK)以下である。熱伝導率κtotal及び格子熱伝導率κlatの下限値は限定されない。しかしながら、典型的にはκtotalは0.5W/(mK)以上、κlatは0.4W/(mK)以上である。 The thermoelectric conversion material of this embodiment is characterized by low thermal conductivity. Although not limited, the thermal conductivity κ total of the thermoelectric conversion material is preferably 10.0 W/(mK) or less, more preferably 8.0 W/(mK) or less in a temperature range of 300 K or higher and 800 K or lower. , more preferably 6.0 W/(mK) or less. In addition, the lattice thermoelectric coefficient κ lat is preferably 5.0 W/(mK) or less, more preferably 4.0 W/(mK) or less, and even more preferably 3.0 W/(mK) in the temperature range of 300 K or more and 800 K or less. ) is below. The lower limits of the thermal conductivity κ total and the lattice thermal conductivity κ lat are not limited. However, typically κ total is 0.5 W/(mK) or more, and κ lat is typically 0.4 W/(mK) or more.

本実施形態の熱電変換材料は、室温から500℃の温度範囲において優れた熱電効果を示すという特徴がある。限定される訳ではないが、熱電変換材料のパワーファクターPFは、300K以上800K以下の温度域において、好ましくは0.1mW/(mK)以上、より好ましくは0.2mW/(mK)以上、さらに好ましく0.25mW/(mK)以上である。またパワーファクターPFは、600K以上800K以下の温度域において、好ましくは0.25mW/(mK)以上、より好ましくは0.5mW/(mK)以上、さらに好ましくは0.75mW/(mK)以上、特に好ましくは1.0mW/(mK)以上である。パワーファクターPFの上限値は限定されない。しかしながら、典型的には10.0mW/(mK)以下、または5.0mW/(mK)以下である。 The thermoelectric conversion material of this embodiment is characterized in that it exhibits an excellent thermoelectric effect in the temperature range from room temperature to 500°C. Although not limited, the power factor PF of the thermoelectric conversion material is preferably 0.1 mW/(mK 2 ) or more, more preferably 0.2 mW/(mK 2 ) or more in a temperature range of 300 K or more and 800 K or less. , more preferably 0.25 mW/(mK 2 ) or more. In addition, the power factor PF is preferably 0.25 mW/(mK 2 ) or more, more preferably 0.5 mW/(mK 2 ) or more, and even more preferably 0.75 mW/(mK 2 ) in the temperature range of 600 K or more and 800 K or less. ) or more, particularly preferably 1.0 mW/(mK 2 ) or more. The upper limit of the power factor PF is not limited. However, it is typically 10.0 mW/(mK 2 ) or less, or 5.0 mW/(mK 2 ) or less.

<<2.熱電変換素子>>
本実施形態の熱電変換素子は、上述した熱電変換材料を含む。具体的には熱電変換材料の成形体を備える。成形体は、多結晶体であってもよく、あるいは単結晶体であってもよい。しかしながら多結晶体、特に焼結体であることが好ましい。また熱電変換素子は、熱電変換材料の成形体以外の部材を含んでもよい。例えば、材料の酸化や損傷を防ぐため、成形体表面に設けられた保護層を備えてもよい。また熱電変換素子はP型であってもよく、あるいはN型であってもよい。P型熱電変換素子はP型熱電変換材料の成形体からなる。N型熱電変換素子はN型熱電変換材料の成形体からなる。
<<2. Thermoelectric conversion element >>
The thermoelectric conversion element of this embodiment includes the thermoelectric conversion material described above. Specifically, it includes a molded body of thermoelectric conversion material. The molded body may be a polycrystalline body or a single crystalline body. However, polycrystalline bodies, especially sintered bodies, are preferred. Further, the thermoelectric conversion element may include members other than the molded body of the thermoelectric conversion material. For example, a protective layer may be provided on the surface of the molded body to prevent oxidation or damage to the material. Further, the thermoelectric conversion element may be of P type or N type. The P-type thermoelectric conversion element is made of a molded body of P-type thermoelectric conversion material. The N-type thermoelectric conversion element is made of a molded body of N-type thermoelectric conversion material.

<<3.熱電変換モジュール>>
本実施形態の熱電変換モジュールは、上述した熱電変換素子を備える。すなわち熱電変換モジュールが備えるP型熱電変換素子及びN型熱電変換素子の少なくとも一方、好ましくは両方が上述した熱電変換素子である。例えば、図1に示すように、P型熱電変換素子と、N型熱電変換素子と、これらP型熱電変換素子及びN型変換素子を直列結合する電極と、P型熱電変換素子、N型熱電変換素子、及び電極の全てを上下から挟む一対のセラミック板と、から構成されていてもよい。
<<3. Thermoelectric conversion module >>
The thermoelectric conversion module of this embodiment includes the above-mentioned thermoelectric conversion element. That is, at least one, preferably both, of the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element included in the thermoelectric conversion module are the above-mentioned thermoelectric conversion elements. For example, as shown in FIG. 1, a P-type thermoelectric conversion element, an N-type thermoelectric conversion element, an electrode connecting the P-type thermoelectric conversion element and the N-type conversion element in series, It may be configured from a pair of ceramic plates that sandwich all of the conversion element and electrodes from above and below.

P型熱電変換素子及びN型熱電変換素子の少なくとも一方が本実施形態の熱電変換素子であればよい。例えば、P型熱電変換素子が本実施形態の熱電変換素子であり、N型熱電変換素子が他の材料で構成されてよく、あるいはその逆であってもよい。しかしながら、好適には、P型熱電変換素子及びN型熱電変換素子の両方が本実施形態の熱電変換素子からなる。両方の熱電変換素子を同一材料系で構成することで両者の熱膨張率を揃えることができ、その結果、温度差が生じた際の応力発生及びそれによる特性や信頼性の劣化を防ぐことができる。 At least one of the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element may be the thermoelectric conversion element of this embodiment. For example, the P-type thermoelectric conversion element may be the thermoelectric conversion element of this embodiment, and the N-type thermoelectric conversion element may be made of another material, or vice versa. However, preferably both the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element are made of the thermoelectric conversion element of this embodiment. By configuring both thermoelectric conversion elements with the same material, the thermal expansion coefficients of both can be made the same, and as a result, it is possible to prevent the generation of stress when a temperature difference occurs and the resulting deterioration of characteristics and reliability. can.

熱電変換モジュールは、好適には熱電発電モジュール又は熱電冷却モジュールである。モジュールの上下方向に温度差を設けることで、この温度差に見合っただけの電気を取り出すことができ、モジュールを熱電発電モジュールとして機能させることが可能である。逆に、モジュールに電流を流すことで、モジュールの上下に温度差を設けることができ、これを用いて、モジュールを熱電冷却モジュールとして機能させることができる。 The thermoelectric conversion module is preferably a thermoelectric generation module or a thermoelectric cooling module. By providing a temperature difference in the upper and lower directions of the module, electricity commensurate with this temperature difference can be extracted, and the module can function as a thermoelectric power generation module. Conversely, by passing current through the module, a temperature difference can be created between the top and bottom of the module, and this can be used to cause the module to function as a thermoelectric cooling module.

本実施形態の熱電変換モジュールは、機械的な稼働部が無いため信頼性が高くメンテナンスフリーであるとともに、動作音が静かである。またエネルギー変換時に廃棄物を出さないといった利点を有する。その上、成分元素の組み合わせが豊富であるとともに、有害・希少元素を含まない。さらに機械的強度が高く、高温でも安定的に使用可能である。そのため、この熱電変換モジュールは、工場や自動車等から排出される排熱を熱源とする発電装置、体温を熱源とするウェアラブルデバイスの発電装置、人工衛星や宇宙探査機等の発電装置、あるいは各種冷却装置として期待がもたれる。 Since the thermoelectric conversion module of this embodiment has no mechanical moving parts, it is highly reliable and maintenance-free, and its operation is quiet. It also has the advantage of not producing waste during energy conversion. Moreover, it has a rich combination of constituent elements and does not contain harmful or rare elements. Furthermore, it has high mechanical strength and can be used stably even at high temperatures. Therefore, this thermoelectric conversion module can be used in power generation devices that use exhaust heat from factories and automobiles as a heat source, power generation devices for wearable devices that use body heat as a heat source, power generation devices for artificial satellites and space probes, and various types of cooling devices. There are high expectations for this device.

<<4.熱電変換材料の製造方法>>
本実施形態の熱電変換材料は、上述した要件を満足する限り、その製造方法は限定されない。しかしながら好適な製造方法は、以下の工程;マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含む混合原料を準備する工程(準備工程):この混合原料にメカニカルアロイング処理を施してメカニカルアロイング処理物を作製する工程(メカニカルアロイング工程):及びこのメカニカルアロイング処理物を加圧焼結する工程(焼結工程)を含む。また必要に応じて、得られた焼結体に後処理を施す工程(後処理工程)を設けてもよい。各工程について以下に詳細に説明する。
<<4. Manufacturing method of thermoelectric conversion material >>
The method of manufacturing the thermoelectric conversion material of this embodiment is not limited as long as it satisfies the above-mentioned requirements. However, a preferred manufacturing method includes the following steps: a step of preparing a mixed raw material containing at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb) (preparation step); The method includes a step of performing alloying treatment to produce a mechanically alloyed product (mechanical alloying step) and a step of pressurizing and sintering the mechanically alloyed product (sintering step). Further, if necessary, a step of post-processing the obtained sintered body (post-processing step) may be provided. Each step will be explained in detail below.

<準備工程>
準備工程では、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含む混合原料を準備する。混合原料は、熱電変換材料の構成元素(Mg,V,Ni,Sb,及び必要に応じてTe及び/又はSn)を含み、原料(Mg源,V源,Ni源,Sb源,Te源,Sn源)から作製される。原料混合物は、構成元素を含む限り、その形態は限定されない。しかしながら、構成元素を含む溶融凝固物を含むことが好ましい。溶融凝固物では構成元素が比較的均一に分布している。溶融凝固物を含む混合原料を用いることで、最終的に得られる熱電変換材料の組成分布の均一性を確保することができる。また、混合原料の作製手法は限定されない。しかしながら、原料の溶融工程を含む方法が好ましい。例えば、下記第1~第3の態様が挙げられ、この中でも、特にハーフホイスラー型化合物の単相を得やすい第1又は第2の態様が好ましい。
<Preparation process>
In the preparation step, a mixed raw material containing at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb) is prepared. The mixed raw material contains constituent elements of the thermoelectric conversion material (Mg, V, Ni, Sb, and if necessary Te and/or Sn), and contains raw materials (Mg source, V source, Ni source, Sb source, Te source, Sn source). The form of the raw material mixture is not limited as long as it contains the constituent elements. However, it is preferable to include a molten solidified material containing the constituent elements. In the molten solidified material, the constituent elements are relatively uniformly distributed. By using a mixed raw material containing a molten solidified material, uniformity in the composition distribution of the thermoelectric conversion material finally obtained can be ensured. Further, the method for producing the mixed raw material is not limited. However, methods involving a step of melting the raw materials are preferred. For example, the following first to third embodiments may be mentioned, and among these, the first or second embodiment is particularly preferred since it is easy to obtain a single phase of a half-Heusler type compound.

第1の態様では、混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び凝固して溶融凝固物を作製し、得られた溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を混合原料として用いる。必要に応じて、溶融工程前の原料及び/又は溶融工程後の溶融凝固物にテルル(Te)源及び/又はスズ(Sn)源を加えてもよい。 In the first aspect, when preparing a mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and solidified to produce a molten solidified product. A magnesium (Mg) source is further mixed into the obtained molten solidified material, and the mixture of the molten solidified material and the magnesium (Mg) source is used as a mixed raw material. If necessary, a tellurium (Te) source and/or a tin (Sn) source may be added to the raw material before the melting process and/or the molten solidified product after the melting process.

熱電変換材料の構成成分のうち、マグネシウム(Mg)は易揮発性の成分である。そのため高温溶融時に揮発して最終的に得られる材料の組成がMg欠乏組成となり易い。溶融工程前の原料にMg源を加えるとともに、溶融工程後に得られた溶融凝固物にMg源を追加で加えることで、所望組成の材料を容易に得ることができる。また最終的に得られる熱電変換材料の組成及び組織の均一化を図ることが可能となる。 Among the constituent components of the thermoelectric conversion material, magnesium (Mg) is an easily volatile component. Therefore, the composition of the material that is finally obtained by volatilization during high-temperature melting tends to be an Mg-deficient composition. By adding an Mg source to the raw material before the melting process and additionally adding the Mg source to the molten solidified material obtained after the melting process, a material with a desired composition can be easily obtained. Furthermore, it is possible to make the composition and structure of the finally obtained thermoelectric conversion material uniform.

マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、アンチモン(Sb)源、テルル(Te)源、及びスズ(Sn)源として、公知の溶融原料を用いることができる。例えば、各構成元素(Mg、V、Ni、Sb、Te、Sn)を単味で含む粉末やペレット、あるいは複数種の構成元素を組み合わせて含む粉末やペレットを挙げることができる。 Known molten raw materials can be used as the magnesium (Mg) source, vanadium (V) source, nickel (Ni) source, antimony (Sb) source, tellurium (Te) source, and tin (Sn) source. Examples include powders and pellets containing each constituent element (Mg, V, Ni, Sb, Te, and Sn) alone, or powders and pellets containing a combination of multiple constituent elements.

原料(Mg源等)の溶融は公知の手法で行えばよい。例えば、坩堝に装入した原料に対して、抵抗加熱、高周波誘導加熱、アーク放電、プラズマ加熱、パルス通電、または電子ビーム加熱等による加熱処理を施せばよい。原料の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気下又は減圧下で溶融することが好ましい。溶融温度は、原料が溶融する範囲において限定されない。しかしながら、溶融温度が過度に高温であると、原料の揮発が進行して、材料の組成ズレが生じる恐れがある。溶融温度は1000℃以上3000℃以下が好ましい。また溶融時の溶湯に対して機械的又は電磁的な撹拌を加えてもよい。溶融後に溶湯を冷却して溶融凝固物を得る。そして、得られた溶融凝固物に対してマグネシウム(Mg)源を加える。Mg源の添加量は、所望組成の熱電変換材料が得られるように調整すればよい。 The raw material (Mg source, etc.) may be melted by a known method. For example, the raw material charged into the crucible may be subjected to heat treatment such as resistance heating, high frequency induction heating, arc discharge, plasma heating, pulse energization, or electron beam heating. In order to prevent oxidation of the raw material, it is preferable to melt the material under an inert gas atmosphere or under reduced pressure. The melting temperature is not limited as long as the raw material melts. However, if the melting temperature is too high, volatilization of the raw material will proceed, and there is a risk that the composition of the material will shift. The melting temperature is preferably 1000°C or more and 3000°C or less. Further, mechanical or electromagnetic stirring may be applied to the molten metal during melting. After melting, the molten metal is cooled to obtain a molten solid. Then, a magnesium (Mg) source is added to the obtained molten solidified product. The amount of the Mg source added may be adjusted so as to obtain a thermoelectric conversion material with a desired composition.

第2の態様では、混合原料を準備する際に、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、得られた溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を混合原料として用いる。必要に応じて、溶融工程前の原料及び/又は溶融工程後の溶融凝固物にテルル(Te)源及び/又はスズ(Sn)源を加えてもよい。 In the second aspect, when preparing a mixed raw material, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product, and the obtained molten solidified product is A magnesium (Mg) source is further mixed into the product, and the mixture of the molten solidified product and the magnesium (Mg) source is used as a mixed raw material. If necessary, a tellurium (Te) source and/or a tin (Sn) source may be added to the raw material before the melting process and/or the molten solidified product after the melting process.

第2の態様では、溶融工程前の原料にマグネシウム(Mg)源を加えず、溶融工程後に得られた溶融凝固物にMg源を加える。Mgの揮発を効果的に抑えることができるため、所望組成の材料を容易に得ることができる。また最終的に得られる熱電変換材料の組成及び組織の均一化を図ることが可能となる。なお原料の種類や溶融条件は第1の態様に準じる。 In the second embodiment, a magnesium (Mg) source is not added to the raw material before the melting step, but is added to the molten solidified material obtained after the melting step. Since the volatilization of Mg can be effectively suppressed, a material having a desired composition can be easily obtained. Furthermore, it is possible to make the composition and structure of the finally obtained thermoelectric conversion material uniform. The types of raw materials and melting conditions are the same as in the first embodiment.

第3の態様では、混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、得られた溶融凝固物を混合原料として用いる。必要に応じて、溶融工程前の原料及び/又は溶融工程後の溶融凝固物にテルル(Te)源及び/又はスズ(Sn)源を加えてもよい。 In the third aspect, when preparing a mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product. The obtained molten solidified product is used as a mixed raw material. If necessary, a tellurium (Te) source and/or a tin (Sn) source may be added to the raw material before the melting process and/or the molten solidified product after the melting process.

第3の態様では、溶融工程前の原料にマグネシウム(Mg)源の全てを加え、溶融工程後に得られた溶融凝固物には加えない。溶融工程でMgが揮発するため、揮発分を見込んでMg源を多めに配合することが望ましい。必要な配合量は溶融条件に応じて変化するため、これを一義的に決めることは困難である。しかしながら、例えば、最終組成中のMg量に対して0.5%以上10%以下の量で配合することが考えられる。なお原料の種類や溶融条件は第1の態様に準じる。 In a third embodiment, all of the magnesium (Mg) source is added to the raw material before the melting step, but not to the molten solidified product obtained after the melting step. Since Mg volatilizes during the melting process, it is desirable to incorporate a large amount of Mg source in consideration of volatile content. Since the required amount varies depending on the melting conditions, it is difficult to determine it unambiguously. However, for example, it is conceivable to mix it in an amount of 0.5% or more and 10% or less with respect to the amount of Mg in the final composition. The types of raw materials and melting conditions are the same as in the first embodiment.

<メカニカルアロイング工程>
メカニカルアロイング工程では、得られた混合原料にメカニカルアロイング処理を施してメカニカルアロイング処理物を作製する。メカニカルアロイング(MA)は、高エネルギーミルを用いて、金属粉末を粉砕混合し、それにより機械的に合金化する手法である。延性を有する金属粉末では、処理時に塑性変形と破断、及び新生面の圧着による凝集が繰り返し起こる。そのため成分の薄層からなる層状組織が形成され、処理の進行に伴い、層状組織は超微細化する。また機械的エネルギーの印加により金属粉末の温度が上昇する。層状組織の微細化及び温度上昇が複合的に作用して原子レベルでの合金化が起こり、それにより均一な合金(金属間化合物)相を得ることが可能となる。特に、本実施形態の熱電変換材料(ハーフホイスラー型化合物)は融点及び比重の異なる構成成分を含むが故に、溶融工程のみで単相を得ることは困難である。溶融後にメカニカルアロイング処理を施すことで均質な単相金属間化合物相を得ることができる。
<Mechanical alloying process>
In the mechanical alloying step, the obtained mixed raw material is subjected to mechanical alloying treatment to produce a mechanically alloyed product. Mechanical alloying (MA) is a method of grinding and mixing metal powders using a high-energy mill, thereby mechanically alloying them. Ductile metal powder repeatedly undergoes plastic deformation and fracture during processing, and agglomeration due to pressure bonding of newly formed surfaces. Therefore, a layered structure consisting of thin layers of components is formed, and as the treatment progresses, the layered structure becomes ultra-fine. Furthermore, the temperature of the metal powder increases due to the application of mechanical energy. The refinement of the layered structure and the rise in temperature act in combination to cause alloying at the atomic level, thereby making it possible to obtain a uniform alloy (intermetallic compound) phase. In particular, since the thermoelectric conversion material (half-Heusler type compound) of this embodiment includes components having different melting points and specific gravity, it is difficult to obtain a single phase only by a melting process. By performing mechanical alloying treatment after melting, a homogeneous single-phase intermetallic compound phase can be obtained.

メカニカルアロイング処理に用いるミルは、高エネルギーミルであれば限定されない。例えば、アトライター、遊星ボールミル、及び振動ボールミルが挙げられる。処理は、合金化が十分に進行する条件で行えばよい。例えば、遊星ボールミルを用いる場合は、自転回転数及び公転回転数を300rpm以上1200rpm以下とし、10分以上50時間以下の処理を行えばよい。 The mill used for the mechanical alloying process is not limited as long as it is a high energy mill. Examples include attritors, planetary ball mills, and vibratory ball mills. The treatment may be performed under conditions that allow alloying to proceed sufficiently. For example, when using a planetary ball mill, the rotation speed and the revolution speed may be set to 300 rpm or more and 1200 rpm or less, and the treatment may be performed for 10 minutes or more and 50 hours or less.

<焼結工程>
焼結工程では、メカニカルアロイング処理物を加圧焼結する。焼結工程を経ることで、緻密な焼結体からなる熱電変換材料を得ることができる。またメカニカル処理工程後に異相が残存したとしても、焼結時に合金化が進行し、異相量の少ない金属間化合物相を得ることが可能である。
<Sintering process>
In the sintering process, the mechanically alloyed material is sintered under pressure. Through the sintering process, a thermoelectric conversion material made of a dense sintered body can be obtained. Furthermore, even if foreign phases remain after the mechanical treatment step, alloying progresses during sintering, and it is possible to obtain an intermetallic compound phase with a small amount of foreign phases.

加圧焼結は、公知の手法で行えばよい。例えば、ホットプレス(HP)、熱間等方圧プレス(HIP)、パルス通電焼結(Pulsed Electric Current Sintering;PECS)装置などの加圧焼結装置を用いて行えばよい。限定されるものではないが、例えば、20MPa以上100MPa以下の圧力を印加し、800K以上1300K以下の温度で2分以上120分以下の条件で焼結すればよい。 Pressure sintering may be performed using a known method. For example, a pressure sintering device such as a hot press (HP), a hot isostatic press (HIP), or a pulsed electric current sintering (PECS) device may be used. Although not limited, for example, sintering may be performed under conditions of applying a pressure of 20 MPa or more and 100 MPa or less, and at a temperature of 800 K or more and 1300 K or less for 2 minutes or more and 120 minutes or less.

<後処理工程>
必要に応じて、得られた焼結体に後処理を施してもよい。例えば、焼結体に研削加工や研磨加工などの加工を施して、寸法を調整してもよい。また焼結体の酸化を防ぐために、その表面に保護層を設けてもよい。
<Post-processing process>
If necessary, the obtained sintered body may be subjected to post-treatment. For example, the dimensions may be adjusted by subjecting the sintered body to processing such as grinding or polishing. Further, in order to prevent oxidation of the sintered body, a protective layer may be provided on the surface of the sintered body.

このようにして本実施形態の熱電変換材料を製造することができる。 In this way, the thermoelectric conversion material of this embodiment can be manufactured.

本発明を、以下の実施例を用いて更に詳細に説明する。しかしながら本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail using the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実験例A]
実験例Aでは、MgVNiSb組成(p=q=0)の熱電変換材料を異なる方法で作製し、その評価を行った。具体的には以下の手順にしたがって試料を作製した。
[Experiment example A]
In Experimental Example A, thermoelectric conversion materials having a composition of Mg 2 VNi 3 Sb 3 (p=q=0) were produced using different methods and evaluated. Specifically, samples were prepared according to the following procedure.

(1)熱電変換材料の作製
[実施例1](p=q=0,第1の態様)
<準備工程>
原料であるマグネシウム(Mg):0.393g、バナジウム(V):0.398g、ニッケル(Ni):1.374g、及びアンチモン(Sb):2.851gを混合し、アーク炉で溶融した。試料の一様性を高めるため、溶融後に凝固した試料を裏返して再度溶融させる手順を3回繰り返した。次いで、取り出した溶融凝固物をグローブボックス内に入れ、マグネシウム(Mg):0.085gを更に加えて混合原料とした。
(1) Production of thermoelectric conversion material [Example 1] (p=q=0, first embodiment)
<Preparation process>
Raw materials magnesium (Mg): 0.393 g, vanadium (V): 0.398 g, nickel (Ni): 1.374 g, and antimony (Sb): 2.851 g were mixed and melted in an arc furnace. To improve the uniformity of the sample, the procedure of turning the solidified sample after melting and melting it again was repeated three times. Next, the taken out molten solidified product was placed in a glove box, and 0.085 g of magnesium (Mg) was further added to prepare a mixed raw material.

<メカニカルアロイング処理工程>
次いで、得られた混合原料をタングステンカーバイド製ボールミル容器に封入した。封入後のボールミル容器を遊星型ボールミル装置にセットし、自転及び公転回転数600rpmの条件で10時間粉砕して機械合金化した。
<Mechanical alloying process>
Next, the obtained mixed raw material was sealed in a tungsten carbide ball mill container. The ball mill container after sealing was set in a planetary ball mill device, and pulverized for 10 hours at an autorotation and revolution speed of 600 rpm for mechanical alloying.

<焼結工程>
次いで、ボールミル容器から取り出した粉末試料を、パルス通電焼結(PECS)装置を用いて加圧焼結した。加圧焼結は、真空雰囲気中873Kの温度で、試料に対して30MPaの圧力を20分間加えて行った。このようにして焼結体からなる熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
<Sintering process>
Next, the powder sample taken out from the ball mill container was pressure sintered using a pulsed electric current sintering (PECS) device. Pressure sintering was performed at a temperature of 873 K in a vacuum atmosphere by applying a pressure of 30 MPa to the sample for 20 minutes. In this way, a polycrystalline sample of a thermoelectric conversion material made of a sintered body was prepared.

[実施例2](p=q=0,第2の態様)
準備工程で、原料であるバナジウム(V):0.398g、ニッケル(Ni):1.374g、及びアンチモン(Sb):2.851gを混合し、アーク炉で溶融した。試料の一様性を高めるため、溶融後に凝固した試料を裏返して再度溶融させる手順を3回繰り返した。次いで、取り出した溶融凝固物をグローブボックス内に入れ、マグネシウム(Mg):0.384gを加えて混合原料とした。それ以外は実施例1と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 2] (p=q=0, second aspect)
In the preparation process, raw materials vanadium (V): 0.398 g, nickel (Ni): 1.374 g, and antimony (Sb): 2.851 g were mixed and melted in an arc furnace. To improve the uniformity of the sample, the procedure of turning the solidified sample after melting and melting it again was repeated three times. Next, the taken out molten solidified product was placed in a glove box, and 0.384 g of magnesium (Mg) was added thereto to prepare a mixed raw material. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

[実施例3](p=q=0,第3の態様)
準備工程で、原料であるマグネシウム(Mg):0.379g、バナジウム(V):0.397g、ニッケル(Ni):1.374g、及びアンチモン(Sb):2.850gを混合し、アーク炉で溶融した。試料の一様性を高めるため、溶融後に凝固した試料を裏返して再度溶融させる手順を3回繰り返した。これにより溶融凝固物からなる混合原料を得た。それ以外は実施例1と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 3] (p=q=0, third aspect)
In the preparation process, raw materials magnesium (Mg): 0.379 g, vanadium (V): 0.397 g, nickel (Ni): 1.374 g, and antimony (Sb): 2.850 g were mixed and heated in an arc furnace. Melted. To improve the uniformity of the sample, the procedure of turning the solidified sample after melting and melting it again was repeated three times. As a result, a mixed raw material consisting of a molten solidified material was obtained. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

(2)熱電変換材料の評価
実施例1~3で得られた試料(熱電変換材料)につき、各種特性の評価を以下に示すとおりに行った。
(2) Evaluation of thermoelectric conversion materials Various properties of the samples (thermoelectric conversion materials) obtained in Examples 1 to 3 were evaluated as shown below.

<密度>
密度をアルキメデス法により測定した。
<Density>
Density was measured by Archimedes method.

<XRD>
試料を粉末X線回折法にて分析して生成相を評価した。分析は、焼結した試料表面を研磨し、研磨面にX線を照射することで行った。またX線回折測定は以下の条件で行った。
<XRD>
The sample was analyzed by powder X-ray diffraction to evaluate the formed phase. The analysis was performed by polishing the sintered sample surface and irradiating the polished surface with X-rays. Moreover, the X-ray diffraction measurement was performed under the following conditions.

‐X線回折装置:株式会社リガク,MiniFlex600
‐線源:CuKα
‐管電圧:40kV
‐管電流:15mA
‐スキャン速度:2°/分
‐スキャン範囲:20°~80°
-X-ray diffraction device: Rigaku Co., Ltd., MiniFlex600
-Radiation source: CuKα
-Tube voltage: 40kV
-Tube current: 15mA
-Scan speed: 2°/min -Scan range: 20°~80°

<SEM-EDS>
試料の微細構造を、走査型電子顕微鏡(SEM;Thermo Fisher Scientific,Helios 5 Hydra DualBeam)を用いて調べた。また顕微鏡付属のエネルギー分散型X線分析装置(EDS;Oxford Instruments,Ultim Max170)を用いて元素マッピング像を求めて元素分析を行った。具体的には、倍率:500~20000倍、電圧:10~30kV、及び電流:1.6~3.2nAの条件で観察及び分析を行った。
<SEM-EDS>
The microstructure of the samples was investigated using a scanning electron microscope (SEM; Thermo Fisher Scientific, Helios 5 Hydra DualBeam). Further, an elemental mapping image was obtained using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS; Oxford Instruments, Ultim Max 170) attached to a microscope, and elemental analysis was performed. Specifically, observation and analysis were performed under conditions of magnification: 500 to 20,000 times, voltage: 10 to 30 kV, and current: 1.6 to 3.2 nA.

<熱電特性>
予め決められた温度域(およそ300K(室温)からおよそ900Kまで)における熱電特性(ゼーベック係数S、電気抵抗率ρ、熱伝導率κtotal)を測定した。ゼーベック係数Sは、熱電特性評価装置(アドバンス理工株式会社,ZEM-3シリーズ)を用いて以下の手順で求めた。すなわち熱電変換材料に温度勾配ΔTを設け、これにより生じる熱起電力VEを測定した。そして下記(4)式にしたがってゼーベック係数Sを算出した。なお下記(4)式においてSwireは熱起電力測定に用いた金属プローブの絶対ゼーベック係数である。
<Thermoelectric properties>
Thermoelectric properties (Seebeck coefficient S, electrical resistivity ρ, thermal conductivity κ total ) in a predetermined temperature range (from about 300 K (room temperature) to about 900 K) were measured. The Seebeck coefficient S was determined by the following procedure using a thermoelectric property evaluation device (Advance Riko Co., Ltd., ZEM-3 series). That is, a temperature gradient ΔT was provided in the thermoelectric conversion material, and the thermoelectromotive force VE generated thereby was measured. Then, the Seebeck coefficient S was calculated according to the following equation (4). Note that in the following equation (4), S wire is the absolute Seebeck coefficient of the metal probe used for thermoelectromotive force measurement.

Figure 2023163934000005
Figure 2023163934000005

電気抵抗率ρは熱電特性評価装置(アドバンス理工株式会社,ZEM-3シリーズ)を用いて四端子法で測定した。そして、電気抵抗率ρを用いて、下記(5)式にしたがって導電率σを求めた。 The electrical resistivity ρ was measured by a four-probe method using a thermoelectric property evaluation device (Advance Riko Co., Ltd., ZEM-3 series). Then, using the electrical resistivity ρ, the electrical conductivity σ was determined according to the following equation (5).

Figure 2023163934000006
Figure 2023163934000006

熱拡散率Dをフラッシュアナライザー(NETZSCH社,LFA467 HyperFlash)を用いてフラッシュ法で測定した。得られた熱拡散率D、定圧比熱Cp、およびアルキメデス法で測定した密度dを用いて、下記(6)式にしたがって熱伝導率κtotalを求めた。 Thermal diffusivity D was measured by the flash method using a flash analyzer (NETZSCH, LFA467 HyperFlash). Using the obtained thermal diffusivity D, constant pressure specific heat Cp, and density d measured by the Archimedes method, the thermal conductivity κ total was determined according to the following equation (6).

Figure 2023163934000007
Figure 2023163934000007

また導電率σを用いて下記(7)式にしたがって電子熱伝導率κelを算出し、さらに熱伝導率κtotalと電子熱伝導率κelを用いて下記(8)式の関係に基づき格子熱伝導率κlatを求めた。なお下記(7)式において、Lはローレンツ数、Tは絶対温度である。 In addition, the electronic thermal conductivity κ el is calculated according to the following equation (7) using the electrical conductivity σ, and the lattice is calculated based on the relationship of the following equation (8) using the thermal conductivity κ total and the electronic thermal conductivity κ el . The thermal conductivity κ lat was determined. In the following equation (7), L is the Lorentz number and T is the absolute temperature.

Figure 2023163934000008
Figure 2023163934000008

次いで、ゼーベック係数S、導電率σ、及び熱伝導率κtotalを用いて下記(9)式にしたがってパワーファクターPF及び熱電性能指数zTを求めた。 Next, the power factor PF and thermoelectric figure of merit zT were determined according to the following equation (9) using the Seebeck coefficient S, the electrical conductivity σ, and the thermal conductivity κ total .

Figure 2023163934000009
Figure 2023163934000009

<耐熱性>
決められた温度域(およそ300K(室温)からおよそ900Kまで)において熱電特性の測定を繰り返して行い、試料の耐熱性を評価した。また熱重量示差熱分析測定装置(TG/DTA;株式会社島津製作所,DTG-60)を用いて昇温過程と冷却過程のそれぞれでの熱分析を行った。
<Heat resistance>
The thermoelectric properties were repeatedly measured in a determined temperature range (approximately 300 K (room temperature) to approximately 900 K) to evaluate the heat resistance of the sample. In addition, thermal analysis was performed in each of the heating process and cooling process using a thermogravimetric differential thermal analysis measuring device (TG/DTA; Shimadzu Corporation, DTG-60).

(3)評価結果
<密度>
実施例1で得られた試料の密度は6.605g/cmであった。格子定数から求めた理論密度(6.61g/cm)を用いて相対密度を算出すると、その値は95%以上であった。また実施例2(密度:6.78g/cm)及び実施例3(密度:6.67g/cm)で得られた試料は、その密度が6.5g/cm以上、相対密度が95%以上であった。
(3) Evaluation results <density>
The density of the sample obtained in Example 1 was 6.605 g/cm 3 . When the relative density was calculated using the theoretical density (6.61 g/cm 3 ) determined from the lattice constant, the value was 95% or more. In addition, the samples obtained in Example 2 (density: 6.78 g/cm 3 ) and Example 3 (density: 6.67 g/cm 3 ) had a density of 6.5 g/cm 3 or more and a relative density of 95 % or more.

<XRD>
実施例1~3で得られた試料(熱電変換材料)のX線回折(XRD)パターンを図5に示す。実施例1及び2の試料は、ハーフホイスラー型化合物MgVNiSbの単相からなることを確認した。すなわち全ての回折ピークがハーフホイスラー相(HH相)に由来すると同定され、また第二相(異相)に由来するピークは検出限界未満であった。HH相に由来するメインピークのピーク強度(IHH)に対する異相由来のメインピークのピーク強度(IHP)の比(IHP/IHH)が0.00であった。一方で実施例3ではハーフホイスラー相に由来するピークが強く観察されるものの、それ以外に第二相(異相)のピークが観察された。具体的には、IHP/IHHが0.28であった。
<XRD>
FIG. 5 shows the X-ray diffraction (XRD) patterns of the samples (thermoelectric conversion materials) obtained in Examples 1 to 3. It was confirmed that the samples of Examples 1 and 2 were composed of a single phase of a half-Heusler type compound Mg 2 VNi 3 Sb 3 . That is, all the diffraction peaks were identified as originating from the half-Heusler phase (HH phase), and the peaks originating from the second phase (different phase) were below the detection limit. The ratio (I HP /I HH ) of the peak intensity of the main peak derived from the different phase (I HP ) to the peak intensity of the main peak derived from the HH phase (I HH ) was 0.00. On the other hand, in Example 3, although a peak derived from the half-Heusler phase was strongly observed, a peak from the second phase (different phase) was also observed. Specifically, I HP /I HH was 0.28.

<SEM-EDS>
実施例2で得られた試料の元素マッピング像を図6に示す。観察範囲において、全ての元素(Mg、V、Ni、Sb)が一様に分散しており、析出物や第二相(異相)は存在していなかった。
<SEM-EDS>
An elemental mapping image of the sample obtained in Example 2 is shown in FIG. In the observation range, all elements (Mg, V, Ni, Sb) were uniformly dispersed, and no precipitates or second phases (different phases) were present.

<熱電特性>
実施例1~3の試料のゼーベック係数S、パワーファクターPF、熱伝導率κtotal、格子熱伝導率κlat、及び熱電性能指数zTのそれぞれを図6~図10に示す。
<Thermoelectric properties>
The Seebeck coefficient S, power factor PF, thermal conductivity κ total , lattice thermal conductivity κ lat , and thermoelectric figure of merit zT of the samples of Examples 1 to 3 are shown in FIGS. 6 to 10, respectively.

いずれの試料もゼーベック係数Sが正の値を示しており(図6)、このことから試料がP型の半導体特性を示すことが分かった。図示はしないが、いずれの試料も温度上昇に伴い導電率σが高くなっており、これから試料が半導体特性を示すことが分かった。さらにいずれの試料も測定温度範囲内で熱伝導率κtotalが6W/(Km)以下、格子熱伝導率κlatが4W/(Km)以下であった(図8及び図9)。熱電性能指数PFおよびzTは、実施例1及び2の試料で高かった(図7、図10)。特に実施例1の熱電性能指数PFおよびzTは高く、約700Kで最大値をとり、そのときのそれぞれの値は0.9mW/(mK)及び0.15を超えていた。図示はしないものの、実施例3の試料は熱電性能指数zTおよびPFは低かった。その理由として、異相の存在や母組成のずれが考えられた。 The Seebeck coefficient S of each sample showed a positive value (FIG. 6), which revealed that the sample exhibited P-type semiconductor characteristics. Although not shown in the figure, the conductivity σ of all samples increased as the temperature increased, and this revealed that the samples exhibited semiconductor characteristics. Further, all samples had a thermal conductivity κ total of 6 W/(Km) or less and a lattice thermal conductivity κ lat of 4 W/(Km) or less within the measurement temperature range (FIGS. 8 and 9). The thermoelectric figures of merit PF and zT were high for the samples of Examples 1 and 2 (FIG. 7, FIG. 10). In particular, the thermoelectric figure of merit PF and zT of Example 1 were high, reaching their maximum values at about 700 K, and the respective values at that time exceeded 0.9 mW/(mK 2 ) and 0.15. Although not shown, the thermoelectric figure of merit zT and PF of the sample of Example 3 were low. The reason for this was thought to be the presence of different phases or a difference in the parent composition.

<耐熱性>
実施例1の試料につき、約300Kから約900Kの温度範囲においてパワーファクターPFの繰り返し試験を行った結果を図11に示す。また実施例2の試料につき約300Kから約1000Kの温度範囲における熱分析結果を図12に示す。
<Heat resistance>
FIG. 11 shows the results of a repeated power factor PF test performed on the sample of Example 1 in a temperature range of about 300K to about 900K. Further, the thermal analysis results of the sample of Example 2 in the temperature range of about 300K to about 1000K are shown in FIG.

パワーファクターPFの繰り返し試験結果では、1回目の測定結果と2回目の測定結果に殆ど差異が見られなかった(図11)。また熱分析の結果、反応や相変化に伴うピークは観測されず、冷却後の熱流の値は昇温開始前の値とほぼ同一であった(図12)。このことから、本実施形態の熱電変換材料は約1000Kにまで加熱しても変質せず、耐熱性に優れることが分かった。 In the repeated test results of the power factor PF, there was almost no difference between the first measurement result and the second measurement result (FIG. 11). Furthermore, as a result of thermal analysis, no peaks associated with reactions or phase changes were observed, and the value of heat flow after cooling was almost the same as the value before the start of temperature rise (FIG. 12). From this, it was found that the thermoelectric conversion material of this embodiment does not change in quality even when heated to about 1000K, and has excellent heat resistance.

[実験例B]
実験例Bでは、組成を変更した熱電変換材料を作製し、その評価を行った。具体的には以下の手順にしたがって試料を作製した。
[Experiment example B]
In Experimental Example B, thermoelectric conversion materials with different compositions were produced and evaluated. Specifically, samples were prepared according to the following procedure.

(1)熱電変換材料の作製
[実施例4,5,7](p=0.05~0.3,q=0,第2の態様)
準備工程で、原料(Mg、V、Ni、及びSb)配合量を下記表1に示されるように変更した。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
(1) Production of thermoelectric conversion material [Examples 4, 5, 7] (p=0.05 to 0.3, q=0, second embodiment)
In the preparation process, the amounts of raw materials (Mg, V, Ni, and Sb) were changed as shown in Table 1 below. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例6](p=0.2,q=0,第2の態様)
準備工程で、原料(Mg、V、Ni、及びSb)配合量を下記表1に示されるように変更した。焼結条件は873Kで1時間とした。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 6] (p=0.2, q=0, second aspect)
In the preparation process, the amounts of raw materials (Mg, V, Ni, and Sb) were changed as shown in Table 1 below. The sintering conditions were 873K for 1 hour. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例8~10](p=0,q=0.01~0.3,M=Te,第2の態様)
準備工程で、マグネシウム(Mg)とともにドーパントとしてテルル(Te)を溶融凝固物に加えた。また原料(Mg、V、Ni、Sb、及びTe)配合量を下記表1に示されるように変更した。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Examples 8 to 10] (p=0, q=0.01 to 0.3, M=Te, second embodiment)
In the preparatory step, tellurium (Te) was added as a dopant together with magnesium (Mg) to the molten solidified material. In addition, the blending amounts of raw materials (Mg, V, Ni, Sb, and Te) were changed as shown in Table 1 below. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例11](p=0.1,q=0.3,M=Te,第2の態様)
準備工程で、マグネシウム(Mg)とともにドーパントとしてテルル(Te)を溶融凝固物に加えた。また原料(Mg、V、Ni、Sb、及びTe)配合量を下記表1に示されるように変更した。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 11] (p=0.1, q=0.3, M=Te, second aspect)
In the preparatory step, tellurium (Te) was added as a dopant together with magnesium (Mg) to the molten solidified material. In addition, the blending amounts of raw materials (Mg, V, Ni, Sb, and Te) were changed as shown in Table 1 below. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例12](p=0,q=0.3、M=Sn,第2の態様)
準備工程で、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)及びアンチモン(Sb)を混合する際にドーパントとしてスズ(Sn)を加えた。また原料(Mg、V、Ni、Sb、及びSn)配合量を下記表1に示されるように変更した。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 12] (p=0, q=0.3, M=Sn, second aspect)
In the preparation process, tin (Sn) was added as a dopant when mixing vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb). In addition, the blending amounts of raw materials (Mg, V, Ni, Sb, and Sn) were changed as shown in Table 1 below. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例13](p=0.1,q=0.3,M=Te,第2の態様)
準備工程で、マグネシウム(Mg)とともにドーパントとしてテルル(Te)を溶融凝固物に加えた。また原料(Mg、V、Ni、Sb、及びTe)配合量を下記表1に示されるように変更した。焼結条件は1073Kで1時間とした。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 13] (p=0.1, q=0.3, M=Te, second aspect)
In the preparatory step, tellurium (Te) was added as a dopant together with magnesium (Mg) to the molten solidified material. In addition, the blending amounts of raw materials (Mg, V, Ni, Sb, and Te) were changed as shown in Table 1 below. The sintering conditions were 1073K for 1 hour. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

[実施例14](p=0,q=0.3、M=Sn,第2の態様)
準備工程で、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)及びアンチモン(Sb)を混合する際にドーパントとしてスズ(Sn)を加えた。また原料(Mg、V、Ni、Sb、及びSn)配合量を下記表1に示されるように変更した。焼結条件は1073Kで1時間とした。それ以外は実施例2と同様にして熱電変換材料の多結晶試料を作製した。
[Example 14] (p=0, q=0.3, M=Sn, second aspect)
In the preparation process, tin (Sn) was added as a dopant when mixing vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb). In addition, the blending amounts of raw materials (Mg, V, Ni, Sb, and Sn) were changed as shown in Table 1 below. The sintering conditions were 1073K for 1 hour. A polycrystalline sample of the thermoelectric conversion material was produced in the same manner as in Example 2 except for the above.

(2)熱電変換材料の評価
実施例4~14で得られた試料(熱電変換材料)につき、X線回折分析(XRD)と熱電特性の評価を実験例Aと同様にして行った。
(2) Evaluation of thermoelectric conversion materials The samples (thermoelectric conversion materials) obtained in Examples 4 to 14 were subjected to X-ray diffraction analysis (XRD) and evaluation of thermoelectric properties in the same manner as in Experimental Example A.

(3)評価結果
<密度>
実施例4~9で得られた試料の密度は、それぞれ6.78g/cm(実施例4)、6.735g/cm(実施例5)、6.961g/cm(実施例6)、6.512g/cm(実施例7)、6.825g/cm(実施例8)、及び6.812g/cm(実施例9)であった。
(3) Evaluation results <density>
The densities of the samples obtained in Examples 4 to 9 were 6.78 g/cm 3 (Example 4), 6.735 g/cm 3 (Example 5), and 6.961 g/cm 3 (Example 6), respectively. , 6.512g/cm 3 (Example 7), 6.825g/cm 3 (Example 8), and 6.812g/cm 3 (Example 9).

<XRD>
図示はしないが、実施例4~14で得られた試料のX線回折(XRD)パターンでは、いずれの試料でもハーフホイスラー(HH)相に由来するピークが最も強く観察された。具体的には、HH相に由来するメインピークのピーク強度(IHH)に対する異相由来のメインピークのピーク強度(IHP)の比(IHP/IHH)が0.04~0.24であった。
<XRD>
Although not shown, in the X-ray diffraction (XRD) patterns of the samples obtained in Examples 4 to 14, the strongest peak derived from the half-Heusler (HH) phase was observed in all samples. Specifically, the ratio (I HP /I HH ) of the peak intensity of the main peak derived from the HH phase (I HH ) to the peak intensity (I HP ) of the main peak derived from the different phase is 0.04 to 0.24. there were.

<熱電特性>
実施例4~14で得られた試料のゼーベック係数S、格子熱伝導率κlat、及び熱電性能指数zTを図13~図16に示す。
<Thermoelectric properties>
The Seebeck coefficient S, lattice thermal conductivity κ lat , and thermoelectric figure of merit zT of the samples obtained in Examples 4 to 14 are shown in FIGS. 13 to 16.

バナジウム過剰量pやドーパント量qを変更すると、ゼーベック係数Sの値が正から負へと変化した(図13及び図14)。特に、V過剰組成(q>0.1)の試料(実施例5~6)またはTe添加組成(q>0.1)の試料(実施例11及び13)ではゼーベック係数が負の値を示し、N型の半導体的性質を示すことが分かった。このことから、バナジウム過剰量pやドーパント量qを調整することで、熱電変換材料の半導体特性をP型からN型へ制御できることが分かった。 When the excess vanadium amount p and the dopant amount q were changed, the value of the Seebeck coefficient S changed from positive to negative (FIGS. 13 and 14). In particular, the Seebeck coefficient showed a negative value in the samples with excessive V composition (q>0.1) (Examples 5 to 6) or the samples with Te added composition (q>0.1) (Examples 11 and 13). , was found to exhibit N-type semiconductor properties. From this, it was found that by adjusting the excess vanadium amount p and the dopant amount q, the semiconductor characteristics of the thermoelectric conversion material can be controlled from P-type to N-type.

測定を行ったいずれの試料(実施例4,8,9,13,14)も熱伝導率κtotal及び格子熱伝導率κlatが低かった(図15及び図16)。具体的には、700K以下の領域で熱伝導率κtotalが6W/(Km)以下、格子熱伝導率κlatが4W/(Km)以下であった。 All of the samples measured (Examples 4, 8, 9, 13, and 14) had low thermal conductivity κ total and low lattice thermal conductivity κ lat (FIGS. 15 and 16). Specifically, in the region of 700K or less, the thermal conductivity κ total was 6 W/(Km) or less, and the lattice thermal conductivity κ lat was 4 W/(Km) or less.

Figure 2023163934000010
Figure 2023163934000010

(4)まとめ
以上の結果から、特定組成のハーフホイスラー型化合物を主成分とする本実施形態の熱電変換材料は、熱伝導率が低く、室温から500℃の温度範囲において優れた熱電効果を示すとともに、半導体特性をP型及びN型のいずれにも調整可能であることが分かった。
(4) Summary From the above results, the thermoelectric conversion material of this embodiment, which mainly consists of a half-Heusler type compound with a specific composition, has low thermal conductivity and exhibits an excellent thermoelectric effect in the temperature range from room temperature to 500°C. In addition, it was found that the semiconductor characteristics can be adjusted to either P-type or N-type.

特に、本実施形態の熱電変換材料はトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物を主成分として含むが故に、熱伝導率、特に格子熱伝導率が顕著に小さい。このことを、図17を用いて説明する。図17は本実施形態のトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物(実施例1)の300Kまたは700Kにおける格子熱伝導率κl atを、従来のハーフホイスラー(HH)型化合物及びダブルハーフホイスラー(DHH)型化合物の格子熱伝導率κlatと対比して示す。 In particular, since the thermoelectric conversion material of this embodiment contains a triple half-Heusler (THH) type compound as a main component, its thermal conductivity, particularly lattice thermal conductivity, is significantly low. This will be explained using FIG. 17. FIG. 17 shows the lattice thermal conductivity κ l at at 300K or 700K of the triple half-Heusler (THH) type compound of this embodiment (Example 1), and that of the conventional half-Heusler (HH) type compound and double-half Heusler (DHH). It is shown in comparison with the lattice thermal conductivity κ lat of the type compound.

本実施形態のトリプルハーフホイスラー型化合物は、その格子熱伝導率κlatが従来のハーフホイスラー型化合物及びダブルハーフホイスラー型化合物に比べて顕著に小さい。例えば、300Kにおける格子熱伝導率を見ると、従来のハーフホイスラー型化合物では最小でも7W/(mK)程度であるのに対して、本実施形態のトリプルハーフホイスラー型化合物は2W/(mK)程度である。 The triple half-Heusler type compound of this embodiment has a lattice thermal conductivity κ lat that is significantly smaller than that of conventional half-Heusler type compounds and double-half Heusler type compounds. For example, looking at the lattice thermal conductivity at 300K, the minimum of the conventional half-Heusler type compound is about 7W/(mK), whereas the triple half-Heusler type compound of this embodiment is about 2W/(mK). It is.

このように、熱伝導率が顕著に小さいトリプルハーフホイスラー(THH)型化合物を主成分とする本実施形態の熱電変換材料は、優れた熱電特性を示す材料としてポテンシャルが高いと言うことができる。 As described above, it can be said that the thermoelectric conversion material of this embodiment, which has a triple half-Heusler (THH) type compound with a significantly low thermal conductivity as a main component, has high potential as a material exhibiting excellent thermoelectric properties.

2 P型熱電変換素子
4 N型熱電変換素子
6 電極
8 セラミック板
10 熱電変換モジュール
2 P-type thermoelectric conversion element 4 N-type thermoelectric conversion element 6 Electrode 8 Ceramic plate 10 Thermoelectric conversion module

Claims (14)

マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含み、一般式:Mg2―p1+pNiSb3-q(但し、pとqは、-0.5≦p≦0.5及び0≦q≦1.0を満足し、Mはスズ(Sn)及びテルル(Te)の一方又は両方)で表される組成を有し、
ハーフホイスラー型化合物を主成分とする、熱電変換材料。
It contains at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb), and has the general formula: Mg 2-p V 1+p Ni 3 Sb 3-q M q (however, p and q are - 0.5≦p≦0.5 and 0≦q≦1.0, M has a composition represented by one or both of tin (Sn) and tellurium (Te),
A thermoelectric conversion material whose main component is a half-Heusler type compound.
前記熱電変換材料がハーフホイスラー型化合物の単相で構成される、請求項1に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion material is composed of a single phase of a half-Heusler type compound. 前記熱電変換材料が多結晶体である、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion material is polycrystalline. 前記熱電変換材料がP型半導体特性を示す、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion material exhibits P-type semiconductor characteristics. 前記熱電変換材料がN型半導体特性を示す、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion material exhibits N-type semiconductor characteristics. 前記熱電変換材料の熱伝導率(κtotal)が300K以上800K以下の温度域において6.0W/(mK)以下である、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion material has a thermal conductivity (κ total ) of 6.0 W/(mK) or less in a temperature range of 300 K or more and 800 K or less. 前記熱電変換材料のパワーファクター(PF)が300K以上800K以下の温度域において0.2mW/(mK)以上である、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the power factor (PF) of the thermoelectric conversion material is 0.2 mW/(mK 2 ) or more in a temperature range of 300 K or more and 800 K or less. 前記熱電変換材料のパワーファクター(PF)が600K以上800K以下の温度域において0.5mW/(mK)以上である、請求項1又は2に記載される熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, wherein the power factor (PF) of the thermoelectric conversion material is 0.5 mW/(mK 2 ) or more in a temperature range of 600 K or more and 800 K or less. 請求項1又は2に記載される熱電変換材料の製造方法であって、以下の工程;
マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)、及びアンチモン(Sb)を少なくとも含む混合原料を準備する工程:
前記混合原料にメカニカルアロイング処理を施してメカニカルアロイング処理物を作製する工程:及び
前記メカニカルアロイング処理物を加圧焼結する工程
を含む方法。
A method for producing a thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2, comprising the following steps;
Step of preparing a mixed raw material containing at least magnesium (Mg), vanadium (V), nickel (Ni), and antimony (Sb):
A method comprising: performing mechanical alloying on the mixed raw material to produce a mechanically alloyed product; and pressurizing and sintering the mechanically alloyed product.
前記混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び凝固して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、前記溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を前記混合原料として用いる、請求項9に記載される方法。 When preparing the mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and solidified to produce a molten solidified product, and the molten solidified product is The method according to claim 9, further comprising mixing a magnesium (Mg) source into the molten solidified material and using a mixture of the molten solidified material and the magnesium (Mg) source as the mixed raw material. 前記混合原料を準備する際に、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物にさらにマグネシウム(Mg)源を混合し、前記溶融凝固物とマグネシウム(Mg)源の混合物を前記混合原料として用いる、請求項9に記載される方法。 When preparing the mixed raw material, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product, and magnesium (Mg) is further added to the molten solidified product. 10. The method according to claim 9, wherein a mixture of the molten solidified material and the magnesium (Mg) source is used as the mixed raw material. 前記混合原料を準備する際に、マグネシウム(Mg)源、バナジウム(V)源、ニッケル(Ni)源、及びアンチモン(Sb)源を溶融及び冷却して溶融凝固物を作製し、前記溶融凝固物を前記混合原料として用いる、請求項9に記載される方法。 When preparing the mixed raw material, a magnesium (Mg) source, a vanadium (V) source, a nickel (Ni) source, and an antimony (Sb) source are melted and cooled to produce a molten solidified product, and the molten solidified product is The method according to claim 9, wherein: is used as the mixed raw material. 請求項1又は2に記載される熱電変換材料を含む熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to claim 1 or 2. 請求項13に記載される熱電変換素子を備えた熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module comprising the thermoelectric conversion element according to claim 13.
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