JP4166927B2 - Thermoelectric material manufacturing method, thermoelectric material, and thermoelectric material manufacturing apparatus - Google Patents

Thermoelectric material manufacturing method, thermoelectric material, and thermoelectric material manufacturing apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電材料の製造方法、熱電材料及び熱電材料製造装置であって、特に、フォノンを散乱する散乱中心物と、母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料の製造方法、Bi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Te、Fe、Mn、Co、Siから選択される少なくとも2種以上の元素を含む母材と、フォノンを散乱する散乱中心物と、からなる複合材料である熱電材料及びフォノンを散乱する散乱中心物と、母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の熱電材料では、熱電材料の性能を表す性能指数Zが次式のように定義されている。
【0003】
【数1】
Z=σ*α2/κ
この式で、σは電気伝導率、αはゼーベック係数、κは熱伝導率である。熱伝導率κは、物質を構成する原子核自体の振動によるもの(フォノン熱伝導率)と、キャリア(電子又はホール)の移動によるもの(キャリア熱伝導率)との和で与えられる。
【0004】
性能指数Zが大きい熱電材料を得るために、様々な製造方法が提案されている。特に、熱伝導率κを小さくする方法として、フォノンを散乱する散乱中心物を備える熱電材料が提案されている。このような熱電材料の製造方法として、散乱中心物の粉末と機械的に粉砕し粉末にした母材とを混合した後に焼結する方法が提案されている(例えば、特開平9−74229号公報など)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電材料を機械的に粉砕して得られた粉末を焼結する場合、平均結晶粒径が大きくなる上に散乱中心物が偏在し、フォノンの平均自由行程が大きくなり、フォノン熱伝導率が増大し、結果として、熱伝導率κが高くなる。また、粉砕する際に不純物が混入したりして高性能な熱電材料を得ることが困難であった。また、製造工程数が増加するという問題があった。
【0006】
本発明の熱電材料の製造方法は、性能指数の高い熱電材料を製造することを目的の一つとする。また、本発明の熱電材料は、性能指数が高い材料であることを目的の一つとする。また、本発明の熱電材料製造装置は、性能指数が高い材料を製造できる装置であることを目的の一つとする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電材料の製造方法は、フォノンを散乱する散乱中心物と母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料の製造方法であって、前記散乱中心物と前記母材との混合物融液を容器に封入し揺動するとともに該混合物を冷却する揺動冷却工程を備えることを特徴とする。
【0008】
本発明の熱電材料の製造方法では、フォノンを散乱する散乱中心物と母材との混合物融液を揺動するととも冷却するので、混合物中に散乱中心物が均一に分散する。そのため、製造された熱電材料では、フォノンの平均自由行程が小さくなり、フォノン熱伝導率が低減される。一方、製造される熱電材料は安定液面がない状態で凝固するため結晶成長が抑えられ平均結晶粒径が小さくなり、いっそうフォノン熱伝導率が低減され、ひいては、熱伝導率κが低減される。また、結晶粒間の間隙が少なくなり電気伝導率σは高く保たれる。これらの結果、性能指数の高い熱電材料を製造することができる。なお、散乱中心物は、母材によって分解せず溶融状態の母材と反応しないものとすることもできる。
【0009】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記散乱中心物は、B、C、Si、Pのいずれかの単体又はB、C、Si、N、Zr、Ti、O、Mo、Wから選択される少なくとも2種以上の元素を含む化合物の粉末粒子であって、前記粉末粒子を前記母材に添加する添加工程と、該母材を溶融する溶融工程と、を備えるものとすることもできる。母材に散乱中心物を添加した後に母材を溶融し冷却するため、母材を粉砕して粉末にした後散乱中心物と混合する方法と比較して、散乱中心物が熱電材料中に均一に分散し、不純物の混入が少ない熱電材料を製造することができる。
【0010】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記散乱中心物は、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡であって、前記母材を溶融するとともに溶融した該母材に前記気泡を導入する溶融工程、を備えるものとすることもできる。母材の溶融時に散乱中心物を導入し、その後母材を冷却するため、母材を粉砕して粉末にした後散乱中心物と混合する方法と比較して、不純物の混入が少ない熱電材料を製造することができる。
【0011】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記揺動冷却工程は、前記混合物に温度勾配を設けた状態で該混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であるものとすることもできる。混合物が冷却するときに温度勾配を設けることで、混合物の結晶化に方向性を与えることができ、雰囲気温度や混合物の表面状態によらず結晶化を均一に進めることができる。
【0012】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記容器には内部に撹拌子が設けられ、前記揺動冷却工程は、前記撹拌子で前記混合物を撹拌することにより該混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であるものとすることもできる。容器内部の撹拌子により、散乱中心物がより均一に熱電材料中に分散する。また、溶融した混合物の揺動量が大きくなり、より安定液面が生じにくくなる。
【0013】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記揺動冷却工程は、回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程とすることもできる。容器を回転させることで、散乱中心物を熱電材料中に分散させることができ、混合物を容器に封入した状態で容易に揺動することができる。
【0014】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記揺動冷却工程は、前記容器を5〜3000回転/分の回転数で回転させたり、前記容器の回転方向を変えたり、前記容器の回転と停止とを繰り返したりして、前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却することができる。このように容器の回転状態を変えることで、散乱中心物が熱電材料内により均一に分散する。また、熱電材料の凝固時により安定液面ができにくくなり、より平均結晶粒径が小さい熱電材料を製造することができる。
【0015】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記揺動冷却工程は、前記容器の回転軸を重力方向に対して傾斜させ前記容器を回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程とすることもできる。容器の回転軸を重力方向に対して傾斜させることで、容器の回転軸を重力方向にした場合と比較して、容器内の溶融した混合物の揺動量が大きくなり、散乱中心物がより均一に熱電材料に分散する。また、溶融した混合物に安定液面が生じにくくなる。
【0016】
この本発明の熱電材料の製造方法では、前記揺動冷却工程は、前記容器の回転軸を重力方向に対して垂直にして該容器を回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程とすることもできる。容器の回転軸を重力方向に対して垂直にすることで、容器内の溶融した混合物の揺動量がより大きくなり、散乱中心物がより均一に熱電材料に分散する。また、溶融した混合物に安定液面が生じにくくなる。
【0017】
本発明の熱電材料は、Bi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Te、Fe、Mn、Co、Siから選択される少なくとも2種以上の元素を含む母材と、フォノンを散乱する散乱中心物と、を含む混合物から製造される熱電材料であって、前記混合物は平均結晶粒径が2μm〜20μmであり、充填率が95〜100%であり、前記散乱中心物は前記母材中に均一に分散していることを特徴とする。
【0018】
本発明の熱電材料では、粉砕・燒結しバルク状にして製造した熱電材料と比較すると、母材の平均結晶粒径が小さく、2μmから20μm程度であると考えられる。このため、結晶粒界におけるフォノン散乱が増大し、フォノン熱伝導率が低減される。また、散乱中心物は、母材の結晶粒内に取り込まれ、熱電材料全体に均一に分散する。その結果、フォノン散乱が更に増大し、いっそうフォノン熱伝導率が低減され、ひいては、熱伝導率κが低減される。また、製造した熱電材料の充填率は、溶製材同様ほぼ100%に近い95〜100%程度であり、電気伝導率σが高く保たれる。以上の結果、性能指数の高い熱電材料となる。
【0019】
この本発明の熱電材料において、前記母材は、熱電半導体の溶製材からなるものとすることもできる。
【0020】
この本発明の参考形態の熱電材料では、前記散乱中心物は、B、C、Si、Pのいずれかの単体又はB、C、Si、N、Zr、Ti、O、Mo、Wから選択される少なくとも2種以上の元素を含む化合物からなるものとすることもでき、また、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡からなるものとすることもできる。
【0021】
本発明の熱電材料製造装置は、フォノンを散乱する散乱中心物と母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料製造装置であって、前記散乱中心物と前記母材との混合物融液を封入する容器と、該容器を揺動し前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する揺動冷却手段と、を備えることを特徴とする。
【0022】
本発明の熱電材料製造装置では、散乱中心物と母材とを含む混合物融液を揺動するとともに冷却するので、熱電材料中に散乱中心物が均一に分散する。散乱中心物はフォノンを散乱するので、フォノンの平均自由行程が小さくなり、フォノン熱伝導率が低減される。また、混合物は安定液面がない状態で凝固するため結晶成長が抑えられ、平均結晶粒径が小さくなる。そのため結晶粒界におけるフォノン散乱が増加し、いっそうフォノン熱伝導率が低減され、ひいては、熱伝導率κが低減される。また、結晶粒間の間隙が小さくなるため電気伝導率σは高く保たれる。これらの結果、性能指数の高い熱電材料を製造することができる。
【0023】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記散乱中心物は、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡であって、溶融状態の前記母材に前記ガスを導入するガス導入手段、を備えるものとすることもできる。母材の溶融時に散乱中心物を導入し、その後、散乱中心物と母材との混合物を冷却するため、母材を粉砕して粉末にした後散乱中心物と混合する方法と比較して、熱電材料中の不純物の混入量が少なくなる。
【0024】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記容器内の混合物に温度勾配を設定する温度勾配設定手段を有するものとすることもできる。混合物に温度勾配を設定することができるので、混合物の結晶化に方向性を与えることができ、雰囲気温度や混合物の表面状態によらず結晶化を均一に進めることができる。
【0025】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記容器の内部に前記混合物を撹拌する撹拌子が設けられたものとすることもできる。容器内部の撹拌子により、溶融した混合物の揺動量を大きくすることができ、散乱中心物を熱電材料中に均一に分散させるとともに、より安定液面が生じにくくすることができる。
【0026】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記揺動冷却手段は、前記容器を回転させ前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する手段であるものとすることもできる。容器を回転させることで、混合物を容器に封入した状態で容易に揺動することができる。
【0027】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記揺動冷却手段は、前記容器の回転状態を制御する回転状態制御手段を有するものとすることができる。容器の回転状態を制御することで、容器を混合物の凝固時により安定液面ができにくい回転状態とし、より平均結晶粒径が小さい熱電材料を製造することができる。なお、回転状態の制御とは、容器の回転数を変えたり、容器の回転方向を変えたり、容器を回転させたり停止させるなどの制御を含む。
【0028】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記揺動冷却手段は、前記容器の回転軸を重力方向に対して傾斜させる回転軸傾斜手段を有するものとすることもできる。容器の回転軸を重力方向に対して傾斜させることで、容器の回転軸を重力方向にした場合と比較して、散乱中心物を熱電材料中に均一に分散させるとともに、容器内の溶融した混合物の揺動量が大きくなり安定液面が生じにくくなる。
【0029】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記揺動冷却手段は、前記容器を重力方向に垂直な回転軸で回転させる手段であるものとすることもできる。容器の回転軸を重力方向に対して垂直にすることで、容器内の溶融した混合物の揺動量がより大きくなり、散乱中心物を熱電材料中内に均一に分散させるとともに、安定液面が生じにくくなる。
【0030】
この本発明の熱電材料製造装置では、前記揺動冷却手段は、マグネチックスターラであるものとすることもできる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0032】
図1は本実施形態の熱電材料製造装置100の構成を示した概略図である。熱電材料製造装置100は、BiTe混合物融液10を封入するガラス製の容器12を内部に納めた鉄製の試料管14と、試料管14を内部に納めた炉管16と、試料管14を炉管16の中央部で固定する棒状の試料管押さえ18と、炉管16内にArガスまたはAr希釈水素ガスなどの不活性ガスまたは還元性ガスを導入するガス導入口20と、このようなガスを炉管16外に排気するガス排気口23と、炉管16を同心円状に取り囲み炉管16の図面に向かい左側を加熱する温度調整可能なヒータ24と、炉管16の図面に向かい右側を加熱するヒータ26と、炉管16の一部分とヒータ24及びヒータ26を封入する筐体28と、炉管16に設けられた駆動ベルト32と、駆動ベルト32を駆動するモータ34と、筐体28とモータ34とが固定される架台36と、架台36の一端を設置台37に固定するシャフト38と、架台36の他端を固定しモータ(図示せず)で駆動されるプーリ42とを備える。
【0033】
炉管16は、制御器21に制御される駆動回路30に駆動される駆動ベルト32により内部の試料管14及び試料管押さえ18とともに回転する。駆動ベルト32は、炉管16の回転方向、回転数などを制御器21からの制御信号に基づいて変更することができる。ここで、回転方向の変更とは、回転方向の逆転や回転の停止などを含む。
【0034】
架台36は制御器21からの制御信号に基づいて駆動回路31によって駆動されるプーリ42が回転することで、シャフト38を支点として架台36を傾斜させることができる。架台36の傾斜に伴い筐体28、試料管14、モータ34も傾斜する。架台36が傾斜した状態でも、駆動ベルト32によって炉管16は回転することができる。
【0035】
ヒータ24及びヒータ26は、各ヒータと炉管16との間に設けられたシース熱電対50及びシース熱電対52によって測温され、測温データは制御器21に入力される。制御器21は、測温データに基づきヒータ制御器22を制御し、ヒータ24及びヒータ26の温度を調整することができ、炉管16の長手方向に温度勾配を設定することができる。
【0036】
図2は容器12の平面図であり、図3は図2におけるAA線での断面図である。容器12は容器12の長手方向に延在する複数の突起物40が内壁に設けられている。この突起物40は、容器12が回転するときに内部の溶融したBiTe混合物融液を撹拌することができる。
【0037】
次に、熱電材料製造装置100を用いて熱電材料を製造する方法を説明する。図4は、熱電材料の製造工程を示した図である。最初に、BiとTeを含むBiTe系材料の母材原料粉末と、散乱中心物となるBの粉末粒子を混合し真空または不活性雰囲気中でガラス製の容器12に封入する(工程S10)。ガラス製の容器12は、破損を防ぐために鉄製の試料管14に封入される。試料管14は炉管16内に挿入され、試料管押さえ18で支持された後、炉管16内に封入される。
【0038】
次に、制御器21の制御信号に基づいてヒータ制御器22によりヒータ24及びヒータ26を動作させ、試料管14を加熱し、母材を加熱溶融させBiTe混合物融液を形成する(工程S12)。BiTe混合物融液は、Bの融点がBiTe系材料の融点より高いため、溶融したBiTe系材料中に粉末粒子として残っている状態となっている。このとき、制御器21から制御信号を駆動回路30へ送出し、駆動回路30によってモータ34を駆動し、駆動ベルト32を回転させ、炉管16を回転させることもできる。炉管16を回転させることで、Bの粉末粒子がBiTe混合物融液内に均一に分散し、BiTe混合物融液の組成も均一となる。
【0039】
次に、炉管16を回転させるとともにガス導入口20からArガスを炉管16内に供給し、容器12を5〜3000回転/分で回転させBiTe混合物融液を揺動させながらArガスで冷却する(工程S14)。BiTe混合物融液は、Bの粉末がBiTe混合物融液内に均一に分散した状態で凝固し、熱電材料となる。炉管16の回転方向、回転数などは、制御器21から送出された制御信号に基づいて駆動回路30でモータ34を駆動することで変更することができる。このとき、Bの粉末をBiTe混合物融液内に均一に分散させるとともに、BiTe混合物融液を冷却する際にBiTe混合物融液に安定液面が生じないような回転方向を選択することができる。また、BiTe混合物融液の回転数はその粘性や容器12との摩擦によるが炉管16に設定した回転数に一致しない場合が多いので、炉管16の回転数を高く設定しBiTe混合物融液を強く撹拌しすることもできる。また、容器12内には突起物40があるため、BiTe混合物融液を強く撹拌することができる。このように、工程S14では、Bの粉末をBiTe混合物融液中に均一に分散させるとともに、BiTe混合物融液に安定液面ができないように冷却することで、製造した熱電材料中にBを均一に分散させるとともに、BiTe混合物融液の結晶化を均一に進めることができる。また、工程S14では、BiTe混合物融液は固体と液体が混じった状態で結晶化されるため、製造された熱電材料の充填率は100%近い、95〜100%程度となり結晶粒間に間隙が生じない。
【0040】
製造したBiTe系熱電材料は、粉砕・燒結しバルク状にして製造した熱電材料と比較すると、母材であるBiTe系材料の平均結晶粒径が小さく、2μmから20μm程度であると考えられる。このため、結晶粒界におけるフォノン散乱が増大し、フォノン熱伝導率が低減される。また、散乱中心物であるB粒子は、母材であるBiTe系材料の結晶粒内に取り込まれ、熱電材料全体に均一に分散する。その結果、フォノン散乱が更に増大し、フォノン熱伝導率がいっそう低減され、ひいては熱伝導率κが低減される。また、製造した熱電材料の充填率は、溶製材同様100%に近い95〜100%程度であり、電気伝導率σは高く保たれる。以上の結果、性能指数の高い熱電材料となる。
【0041】
本実施形態の熱電材料の製造方法では、炉管16の回転軸、即ち容器12の回転軸は、架台36に水平な方向、即ち炉管16に加わる重力の方向に垂直になるようしたが、プーリ42を制御して架台36を傾斜させ、容器12の回転軸を容器12に加わる重力の方向に垂直な方向から傾けて炉管16を回転させることもできる。容器12の回転軸を重力方向に対して傾斜させることで、容器12の回転軸を重力方向にした場合と比較して容器12内の溶融したBiTe混合物の揺動量が大きくなり安定液面が生じにくくなる。その結果、結晶化が均一に進むので、熱伝導率κが低く性能指数が高い熱電材料を製造することができる。
【0042】
本実施形態の熱電材料の製造方法では、工程S14における冷却時にヒータ24とヒータ26とを各々制御しBiTe混合物に温度勾配を設けて冷却することもできる。例えば、図1では、容器12の左側の温度を高くし、右側の温度を低くすることもできる。このように、BiTe混合物融液に温度勾配を適宜設定することにより、混合物融液の結晶化に方向性を与えることができ、雰囲気温度や混合物の表面状態によらず結晶化を均一に進めることができる。
【0043】
本実施形態の熱電材料の製造方法では、Bの粉末を溶融したBiTe系材料の母材に分散させたが、散乱中心物は粉末であり、且つ、母材によって分解したり、母材と反応しないものであればよく、B以外にC、Si、Pのいずれかの単体又はB、C、Si、N、Zr、Ti、O、Mo、Wから選択される少なくとも2種以上を含む化合物、例えば、BX1-X、BN、ZrB2、TiB2、ZrC、TiC、SiC、Si34、SiO2、MoSi2、WSi2とすることもできる。
【0044】
本実施形態の熱電材料製造装置100では、容器12はBiTe混合物を撹拌する突起物40を内壁に設けたが、図5に示すように、容器12の中央部に撹拌翼50を設けることもできる。撹拌翼50は容器12の長手方向に延在している。また、図6に示すように、容器内にBiTe混合物融液より比重が大きく、BiTe混合物融液と反応を起こさず、BiTe混合物の融液の組成に影響を与えないような材料からなる撹拌ボール52を入れることもできる。撹拌ボール52は容器12の回転に伴い回転するので、BiTe混合物融液をより大きく撹拌することができ、Bの粉末粒子がBiTe混合物融液に均一に分散するとともに安定液面ができにくくなる。なお、撹拌ボール52の粒径は大きい方が撹拌効果が高くなるが、BiTe混合物融液を凝固する際に撹拌ボール52が内部に残るので、容器12の直径より十分小さい直径であり、望ましくは容器12の直径の1/4以下であるものとすることが好適である。
【0045】
散乱中心物としては、粉末以外にArガスやAr希釈水素などの不活性ガスまたは還元性ガスを導入することもできる。このようなガスを導入する場合、外界から回転磁場を加えることで容器内の撹拌子が回転するマグネチックスターラを用いることが好適である。図7は、マグネチックスターラを用いた第二の実施形態の熱電材料製造装置200の構成の概略を示す図である。熱電材料製造装置200は、BiTe混合物融液10を封入する容器12と、容器12の周囲にまかれ容器12の下部からガスを導入するガス導入用パイプ80と、容器12の上部に設けられガスを排気するガス排気用パイプ82と、容器12内に設けられ磁石をBiTe混合物と反応しない材料でコーティングした撹拌子70と、容器12を内部に納めた炉室17と、炉室17を同心円状に取り囲み炉室17の図面に上側を加熱する温度調整可能なヒータ72と、炉室17の図面に向かい下側を加熱するヒータ74と、炉室17とヒータ72及びヒータ74を封入する筐体28と、回転磁場を発生させる磁石(図示せず)を内部に有する架台36と、容器12に埋め込まれ容器12の温度を測温するシース熱電対50及び52と、を備える。熱電材料製造装置200では、架台36の磁石より発生する回転磁場によって撹拌子70が回転することで、BiTe混合物融液10を揺動させることができる。また、BiTe混合物融液10が揺動されるときに、導入されるガスの気泡を取り込み、その状態で凝固するため、BiTeの熱電材料内にガスの気泡が残り、これが散乱中心物となることができる。マグネチックスターラの他に、BiTe混合物が封入された容器の周囲にコイルを設定し高周波を印加し融液に誘導電流を生じさせる高周波誘導加熱炉を用いることもできる。高周波誘導加熱炉では、誘導電流によってBiTe混合物融液を加熱するとともに、誘導電流が受けるローレンツ力によりBiTe混合物融液を撹拌することができる。この撹拌によって、導入されるガスの気泡を取り込み、その状態で凝固するため、BiTe系熱電材料内に残ったガスの気泡が散乱中心物となり、熱電材料の熱伝導率を低減することができる。
【0046】
各実施形態の熱電材料は、BiとTeとを原料としたが、それ以外に、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Fe、Mn、Co、Siから選択される元素を少なくとも2種以上を含むものとすることもできる。特にBi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、Asの少なくとも1種とSe又はTeとの組み合わせのカルコゲナイト系原料や、Fe、Mn、Co、Geのいずれか1種とSiとの組み合わせのシリサイド系原料や、BiSb系材料が好適である。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱電材料の製造方法及び熱電材料の製造装置では、母材にフォノンを散乱する散乱中心物が添加された熱電材料を製造する際、散乱中心物と母材との混合物融液を揺動するとともにこの混合物を冷却するので、熱電材料中に散乱中心物を均一に分散させることができる。また、混合物は安定液面が無い状態で凝固するため、製造された熱電材料の母材の結晶粒径が小さくなる。以上の結果、フォノンの平均自由行程が小さくなり、フォノン熱伝導率が低減され、ひいては熱伝導率κが低減される。また、結晶粒間の間隙が溶製材同様に小さく、電気伝導率σは高く保たれる。以上の結果、性能指数の高い熱電材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態の熱電材料製造装置100の構成を示した概略図である。
【図2】 容器12の平面図である。
【図3】 図2におけるAA線での断面図である。
【図4】 本実施形態の熱電材料の製造工程を示した図である。
【図5】 撹拌翼50が設けられた容器12の断面図である。
【図6】 撹拌ボール52が設けられた容器12の断面図である。
【図7】 第二の実施形態の熱電材料製造装置200の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
10 BiTe混合物融液、12 容器、14 試料管、16 炉管、17 炉室、21 制御器、22 ヒータ制御器、30,31 駆動回路、24,26ヒータ、32 駆動ベルト、40 突起物、42 プーリ、100,200 熱電材料製造装置。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric material manufacturing method, a thermoelectric material, and a thermoelectric material manufacturing apparatus, and in particular, a thermoelectric material manufacturing method for manufacturing a thermoelectric material including a scattering center that scatters phonons and a base material, Bi, A base material containing at least two elements selected from Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co, and Si, a scattering center that scatters phonons, The present invention relates to a thermoelectric material manufacturing apparatus that manufactures a thermoelectric material that includes a thermoelectric material that is a composite material made of a material, a scattering center that scatters phonons, and a base material.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in this type of thermoelectric material, a figure of merit Z representing the performance of the thermoelectric material is defined as follows.
[0003]
[Expression 1]
Z = σ * α 2 / κ
In this equation, σ is electrical conductivity, α is the Seebeck coefficient, and κ is thermal conductivity. The thermal conductivity κ is given by the sum of the one caused by vibrations of the nuclei themselves constituting the substance (phonon thermal conductivity) and the one caused by the movement of carriers (electrons or holes) (carrier thermal conductivity).
[0004]
In order to obtain a thermoelectric material having a large figure of merit Z, various manufacturing methods have been proposed. In particular, as a method for reducing the thermal conductivity κ, a thermoelectric material including a scattering center that scatters phonons has been proposed. As a method for producing such a thermoelectric material, there has been proposed a method in which a powder of a scattering center is mixed with a mechanically pulverized and powdered base material and then sintered (for example, JP-A-9-74229). Such).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the powder obtained by mechanically pulverizing the thermoelectric material is sintered, the average crystal grain size is increased, the scattering center is unevenly distributed, the phonon mean free path is increased, and the phonon thermal conductivity is increased. As a result, the thermal conductivity κ increases. Moreover, it is difficult to obtain a high-performance thermoelectric material due to impurities being mixed during pulverization. There is also a problem that the number of manufacturing steps increases.
[0006]
One object of the method for producing a thermoelectric material of the present invention is to produce a thermoelectric material having a high figure of merit. Another object of the thermoelectric material of the present invention is to have a high figure of merit. Another object of the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention is to be an apparatus capable of manufacturing a material having a high performance index.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a thermoelectric material of the present invention is a method for producing a thermoelectric material comprising a scattering center that scatters phonons and a base material, wherein the mixture melt of the scattering center and the base material And a rocking cooling step of cooling the mixture while being swung in a container.
[0008]
In the method for producing a thermoelectric material of the present invention, the mixture melt of the scattering center substance and the base material that scatters phonons is oscillated and cooled, so that the scattering center substance is uniformly dispersed in the mixture. Therefore, in the manufactured thermoelectric material, the mean free path of phonons is reduced, and the phonon thermal conductivity is reduced. On the other hand, the produced thermoelectric material solidifies in the absence of a stable liquid surface, so that crystal growth is suppressed, the average crystal grain size is reduced, phonon thermal conductivity is further reduced, and thus thermal conductivity κ is reduced. . Further, the gap between crystal grains is reduced, and the electrical conductivity σ is kept high. As a result, a thermoelectric material with a high figure of merit can be manufactured. Note that the scattering center may not be decomposed by the base material and may not react with the molten base material.
[0009]
In the manufacturing method of the thermoelectric material of the present invention, the scattering center is selected from any one of B, C, Si, and P, or B, C, Si, N, Zr, Ti, O, Mo, and W. It is also possible to provide a powder particle of a compound containing at least two kinds of elements, and an addition step of adding the powder particle to the base material and a melting step of melting the base material. Compared to the method in which the base material is melted and cooled after the scattering center is added to the base material, and the base material is pulverized into powder and then mixed with the scattering center, the scattering center is uniform in the thermoelectric material. It is possible to produce a thermoelectric material that is dispersed in the substrate and contains less impurities.
[0010]
In the method for producing a thermoelectric material of the present invention, the scattering center is a bubble of an inert gas or a reducing gas, and melts the base material and introduces the bubbles into the melted base material. , Can also be provided. Compared with the method in which the scattering material is introduced when the matrix is melted, and then the matrix is cooled, the thermoelectric material is less mixed with impurities compared to the method in which the matrix is pulverized into powder and then mixed with the scattering material. Can be manufactured.
[0011]
In the method for producing a thermoelectric material of the present invention, the swing cooling step may be a step of swinging the mixture and cooling the mixture in a state where a temperature gradient is provided in the mixture. By providing a temperature gradient when the mixture cools, it is possible to give direction to the crystallization of the mixture, and the crystallization can be promoted uniformly regardless of the ambient temperature and the surface state of the mixture.
[0012]
In this method for producing a thermoelectric material of the present invention, the container is provided with a stirrer inside, and the swing cooling step swings the mixture by stirring the mixture with the stirrer and the mixture. It can also be a process of cooling. The scattering center is more uniformly dispersed in the thermoelectric material by the stirring bar inside the container. In addition, the amount of rocking of the molten mixture increases, and a more stable liquid level is less likely to occur.
[0013]
In the method for producing a thermoelectric material of the present invention, the swing cooling step may be a step of swinging the mixture by rotating and cooling the mixture. By rotating the container, the scattering center can be dispersed in the thermoelectric material, and can be easily swung while the mixture is sealed in the container.
[0014]
In the manufacturing method of the thermoelectric material according to the present invention, the swing cooling step rotates the container at a rotational speed of 5 to 3000 rotations / minute, changes the rotation direction of the container, rotates and stops the container. And the mixture can be swung and the mixture can be cooled. By changing the rotation state of the container in this way, the scattering center is more uniformly dispersed in the thermoelectric material. Further, it becomes difficult to form a stable liquid surface when the thermoelectric material is solidified, and a thermoelectric material having a smaller average crystal grain size can be produced.
[0015]
In the manufacturing method of the thermoelectric material of the present invention, the swing cooling step swings the mixture and cools the mixture by tilting the rotation axis of the container with respect to the direction of gravity and rotating the container. It can also be a process. By tilting the rotation axis of the container with respect to the direction of gravity, the amount of rocking of the molten mixture in the container becomes larger and the scattering center is more uniform than when the rotation axis of the container is in the direction of gravity. Disperse in thermoelectric material. Moreover, it becomes difficult to produce a stable liquid level in the molten mixture.
[0016]
In the thermoelectric material manufacturing method of the present invention, the swing cooling step swings the mixture and cools the mixture by rotating the container with the rotation axis of the container perpendicular to the direction of gravity. It can also be set as the process to do. By making the rotation axis of the container perpendicular to the direction of gravity, the amount of rocking of the molten mixture in the container becomes larger, and the scattering center is more uniformly dispersed in the thermoelectric material. Moreover, it becomes difficult to produce a stable liquid level in the molten mixture.
[0017]
The thermoelectric material of the present invention includes a base material containing at least two elements selected from Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co, and Si, A scattering center material that scatters phonons, wherein the mixture has an average crystal grain size of 2 μm to 20 μm, a filling rate of 95 to 100%, and the scattering center material. Is uniformly dispersed in the base material.
[0018]
In the thermoelectric material of the present invention, the average crystal grain size of the base material is small compared with the thermoelectric material produced by pulverization and sintering into a bulk shape, and is considered to be about 2 μm to 20 μm. For this reason, phonon scattering at the crystal grain boundary increases and phonon thermal conductivity is reduced. Further, the scattering center is taken into the crystal grains of the base material and uniformly dispersed throughout the thermoelectric material. As a result, phonon scattering is further increased, phonon thermal conductivity is further reduced, and consequently thermal conductivity κ is reduced. Moreover, the filling rate of the manufactured thermoelectric material is about 95 to 100%, which is close to about 100% as in the case of the melted material, and the electrical conductivity σ is kept high. As a result, the thermoelectric material has a high figure of merit.
[0019]
In the thermoelectric material of the present invention, the base material may be made of a thermoelectric semiconductor melting material.
[0020]
In the thermoelectric material of this reference form of the present invention, the scattering center is selected from any one of B, C, Si, and P, or B, C, Si, N, Zr, Ti, O, Mo, and W. It can also consist of a compound containing at least two or more elements, or it can consist of bubbles of inert gas or reducing gas.
[0021]
The thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention is a thermoelectric material manufacturing apparatus that manufactures a thermoelectric material including a scattering center object that scatters phonons and a base material, and encloses a mixture melt of the scattering center object and the base material. And a swing cooling means for swinging the container to swing the mixture and cooling the mixture.
[0022]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, since the mixture melt containing the scattering center and the base material is swung and cooled, the scattering center is uniformly dispersed in the thermoelectric material. Since the scattering center scatters phonons, the mean free path of phonons is reduced and the phonon thermal conductivity is reduced. In addition, since the mixture solidifies without a stable liquid surface, crystal growth is suppressed, and the average crystal grain size becomes small. Therefore, phonon scattering at the crystal grain boundary increases, and the phonon thermal conductivity is further reduced, and consequently the thermal conductivity κ is reduced. Further, since the gap between the crystal grains becomes small, the electrical conductivity σ is kept high. As a result, a thermoelectric material with a high figure of merit can be manufactured.
[0023]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the scattering center is a bubble of an inert gas or a reducing gas, and includes gas introduction means for introducing the gas into the molten base material. You can also. Introducing a scattering center when the base material melts, and then cooling the mixture of the scattering center and the base material, so that the base material is pulverized into powder and then mixed with the scattering center, The amount of impurities mixed in the thermoelectric material is reduced.
[0024]
The thermoelectric material manufacturing apparatus according to the present invention may include a temperature gradient setting unit that sets a temperature gradient in the mixture in the container. Since a temperature gradient can be set in the mixture, directionality can be given to the crystallization of the mixture, and crystallization can be promoted uniformly regardless of the ambient temperature and the surface state of the mixture.
[0025]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, a stirrer for stirring the mixture may be provided inside the container. The amount of rocking of the melted mixture can be increased by the stirring bar inside the container, and the scattering center can be uniformly dispersed in the thermoelectric material, and a more stable liquid surface can be less likely to occur.
[0026]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the swing cooling means may be means for rotating the container to swing the mixture and to cool the mixture. By rotating the container, the mixture can be easily swung while the mixture is sealed in the container.
[0027]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the oscillating cooling means may include a rotation state control means for controlling the rotation state of the container. By controlling the rotation state of the container, it is possible to produce a thermoelectric material having a smaller average crystal grain size by making the container into a rotation state in which a stable liquid surface is difficult to form when the mixture is solidified. The control of the rotation state includes control such as changing the rotation speed of the container, changing the rotation direction of the container, rotating the container, and stopping the container.
[0028]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the swing cooling means may include a rotation axis tilting means for tilting the rotation axis of the container with respect to the direction of gravity. By tilting the rotation axis of the container with respect to the direction of gravity, the scattering center is uniformly dispersed in the thermoelectric material as compared with the case where the rotation axis of the container is in the direction of gravity, and the molten mixture in the container The amount of rocking is increased and a stable liquid level is less likely to occur.
[0029]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the swing cooling means may be means for rotating the container on a rotation axis perpendicular to the direction of gravity. By making the rotation axis of the container perpendicular to the direction of gravity, the amount of rocking of the molten mixture in the container becomes larger, the scattering center is uniformly dispersed in the thermoelectric material, and a stable liquid surface is generated. It becomes difficult.
[0030]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, the swing cooling means may be a magnetic stirrer.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a thermoelectric material manufacturing apparatus 100 of the present embodiment. The thermoelectric material manufacturing apparatus 100 includes an iron sample tube 14 in which a glass container 12 enclosing a BiTe mixture melt 10 is housed, a furnace tube 16 in which the sample tube 14 is housed, and a sample tube 14 in the furnace. A rod-shaped sample tube holder 18 fixed at the center of the tube 16, a gas inlet 20 for introducing an inert gas or reducing gas such as Ar gas or Ar-diluted hydrogen gas into the furnace tube 16, and such a gas A gas exhaust port 23 for exhausting the outside of the furnace tube 16, a temperature-adjustable heater 24 surrounding the furnace tube 16 concentrically and heating the left side toward the drawing of the furnace tube 16, and the right side facing the drawing of the furnace tube 16. A heater 26 for heating, a part of the furnace tube 16, a heater 24 and a housing 28 for enclosing the heater 26, a drive belt 32 provided in the furnace tube 16, a motor 34 for driving the drive belt 32, and the housing 28 And motor 3 Comprising DOO a pedestal 36 which is fixed a shaft 38 for fixing one end of the gantry 36 to the installation base 37, a pulley 42 which is driven to secure the other end of the frame 36 by a motor (not shown).
[0033]
The furnace tube 16 rotates together with the internal sample tube 14 and the sample tube retainer 18 by a drive belt 32 driven by a drive circuit 30 controlled by the controller 21. The drive belt 32 can change the rotation direction, the rotation speed, and the like of the furnace tube 16 based on a control signal from the controller 21. Here, the change of the rotation direction includes reversal of the rotation direction, stop of rotation, and the like.
[0034]
The gantry 36 can be tilted with the shaft 38 as a fulcrum by the rotation of the pulley 42 driven by the drive circuit 31 based on the control signal from the controller 21. As the gantry 36 is inclined, the casing 28, the sample tube 14, and the motor 34 are also inclined. The furnace tube 16 can be rotated by the drive belt 32 even when the gantry 36 is inclined.
[0035]
The heater 24 and the heater 26 are measured by a sheath thermocouple 50 and a sheath thermocouple 52 provided between each heater and the furnace tube 16, and temperature measurement data is input to the controller 21. The controller 21 controls the heater controller 22 based on the temperature measurement data, can adjust the temperature of the heater 24 and the heater 26, and can set a temperature gradient in the longitudinal direction of the furnace tube 16.
[0036]
2 is a plan view of the container 12, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The container 12 has a plurality of protrusions 40 provided on the inner wall extending in the longitudinal direction of the container 12. The protrusion 40 can agitate the melted BiTe mixture melt inside the container 12 as it rotates.
[0037]
Next, a method for manufacturing a thermoelectric material using the thermoelectric material manufacturing apparatus 100 will be described. FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the thermoelectric material. First, a base material powder of BiTe-based material containing Bi and Te and powder particles of B serving as a scattering center are mixed and sealed in a glass container 12 in a vacuum or an inert atmosphere (step S10). The glass container 12 is enclosed in an iron sample tube 14 to prevent breakage. The sample tube 14 is inserted into the furnace tube 16, supported by the sample tube holder 18, and then enclosed in the furnace tube 16.
[0038]
Next, the heater controller 22 operates the heater 24 and the heater 26 based on the control signal of the controller 21 to heat the sample tube 14 and heat and melt the base material to form a BiTe mixture melt (step S12). . Since the melting point of B is higher than that of the BiTe-based material, the BiTe mixture melt is in a state of remaining as powder particles in the molten BiTe-based material. At this time, it is also possible to send a control signal from the controller 21 to the drive circuit 30, drive the motor 34 by the drive circuit 30, rotate the drive belt 32, and rotate the furnace tube 16. By rotating the furnace tube 16, the B powder particles are uniformly dispersed in the BiTe mixture melt, and the composition of the BiTe mixture melt is also uniform.
[0039]
Next, the furnace tube 16 is rotated and Ar gas is supplied from the gas inlet 20 into the furnace tube 16, and the container 12 is rotated at 5 to 3000 rotations / minute to swing the BiTe mixture melt with Ar gas. Cool (step S14). The BiTe mixture melt is solidified in a state where the B powder is uniformly dispersed in the BiTe mixture melt, and becomes a thermoelectric material. The rotation direction and the number of rotations of the furnace tube 16 can be changed by driving the motor 34 with the drive circuit 30 based on the control signal sent from the controller 21. At this time, the B powder can be uniformly dispersed in the BiTe mixture melt, and the rotation direction can be selected such that a stable liquid surface does not occur in the BiTe mixture melt when the BiTe mixture melt is cooled. In addition, the rotational speed of the BiTe mixture melt is often inconsistent with the rotational speed set for the furnace tube 16 due to its viscosity and friction with the vessel 12, so the rotational speed of the furnace tube 16 is set high and the BiTe mixture melt is set. Can be vigorously stirred. Moreover, since the protrusion 40 exists in the container 12, the BiTe mixture melt can be stirred strongly. In this way, in step S14, B powder is uniformly dispersed in the BiTe mixture melt and cooled so that a stable liquid surface is not formed in the BiTe mixture melt, so that B is uniformly contained in the manufactured thermoelectric material. And the crystallization of the BiTe mixture melt can be promoted uniformly. In Step S14, since the BiTe mixture melt is crystallized in a state where the solid and the liquid are mixed, the filling rate of the manufactured thermoelectric material is close to 100%, about 95 to 100%, and there is a gap between the crystal grains. Does not occur.
[0040]
The manufactured BiTe-based thermoelectric material is considered to have a smaller average crystal grain size of the BiTe-based material that is the base material and about 2 μm to 20 μm compared with the thermoelectric material that is pulverized and sintered and manufactured in bulk. For this reason, phonon scattering at the crystal grain boundary increases and phonon thermal conductivity is reduced. Further, the B particles that are the scattering center are taken into the crystal grains of the BiTe-based material that is the base material, and are uniformly dispersed throughout the thermoelectric material. As a result, the phonon scattering is further increased, the phonon thermal conductivity is further reduced, and consequently the thermal conductivity κ is reduced. Moreover, the filling rate of the manufactured thermoelectric material is about 95 to 100%, which is close to 100% like the melted material, and the electrical conductivity σ is kept high. As a result, the thermoelectric material has a high figure of merit.
[0041]
In the manufacturing method of the thermoelectric material of the present embodiment, the rotation axis of the furnace tube 16, that is, the rotation axis of the container 12 is set to be perpendicular to the horizontal direction of the gantry 36, that is, the direction of gravity applied to the furnace tube 16. It is also possible to rotate the furnace tube 16 by tilting the gantry 36 by controlling the pulley 42 and tilting the rotation axis of the container 12 from the direction perpendicular to the direction of gravity applied to the container 12. By tilting the rotation axis of the container 12 with respect to the direction of gravity, the amount of rocking of the molten BiTe mixture in the container 12 becomes larger than when the rotation axis of the container 12 is set to the direction of gravity, and a stable liquid level is generated. It becomes difficult. As a result, since crystallization proceeds uniformly, a thermoelectric material having a low thermal conductivity κ and a high figure of merit can be manufactured.
[0042]
In the thermoelectric material manufacturing method of the present embodiment, the BiTe mixture can be cooled by controlling each of the heater 24 and the heater 26 during cooling in step S14 to provide a temperature gradient in the BiTe mixture. For example, in FIG. 1, the temperature on the left side of the container 12 can be increased and the temperature on the right side can be decreased. Thus, by appropriately setting the temperature gradient in the BiTe mixture melt, it is possible to give direction to the crystallization of the mixture melt, and to promote the crystallization uniformly regardless of the ambient temperature and the surface state of the mixture. Can do.
[0043]
In the manufacturing method of the thermoelectric material of the present embodiment, the B powder is dispersed in the molten BiTe-based material base material, but the scattering center is a powder and is decomposed by the base material or reacts with the base material. A compound containing at least two or more selected from C, Si, P alone or B, C, Si, N, Zr, Ti, O, Mo, W in addition to B, For example, B x C 1-x , BN, ZrB 2 , TiB 2 , ZrC, TiC, SiC, Si 3 N 4 , SiO 2 , MoSi 2 , and WSi 2 can be used.
[0044]
In the thermoelectric material manufacturing apparatus 100 of the present embodiment, the container 12 is provided with the protrusion 40 that stirs the BiTe mixture on the inner wall. However, as shown in FIG. 5, the stirring blade 50 may be provided at the center of the container 12. . The stirring blade 50 extends in the longitudinal direction of the container 12. Further, as shown in FIG. 6, a stirring ball made of a material having a specific gravity greater than that of the BiTe mixture melt in the container, does not react with the BiTe mixture melt, and does not affect the composition of the BiTe mixture melt. 52 can also be entered. Since the stirring ball 52 rotates with the rotation of the container 12, the BiTe mixture melt can be stirred more greatly, and the powder particles of B can be uniformly dispersed in the BiTe mixture melt and it becomes difficult to form a stable liquid surface. The larger the particle diameter of the stirring ball 52, the higher the stirring effect. However, since the stirring ball 52 remains inside when the BiTe mixture melt is solidified, the diameter is sufficiently smaller than the diameter of the container 12, and preferably It is preferable that it is 1/4 or less of the diameter of the container 12.
[0045]
As the scattering center, an inert gas or reducing gas such as Ar gas or Ar-diluted hydrogen can be introduced in addition to the powder. When introducing such a gas, it is preferable to use a magnetic stirrer in which the stirring bar in the container rotates by applying a rotating magnetic field from the outside. FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a thermoelectric material manufacturing apparatus 200 according to the second embodiment using a magnetic stirrer. The thermoelectric material manufacturing apparatus 200 includes a vessel 12 that encloses the BiTe mixture melt 10, a gas introduction pipe 80 that is wound around the vessel 12 and introduces gas from the lower portion of the vessel 12, and a gas provided at the upper portion of the vessel 12. The gas exhaust pipe 82 for exhausting the gas, the stirrer 70 in which the magnet is coated with a material that does not react with the BiTe mixture, the furnace chamber 17 in which the container 12 is housed, and the furnace chamber 17 are concentric. In the drawing of the furnace chamber 17, a temperature-adjustable heater 72 that heats the upper side in the drawing, a heater 74 that heats the lower side toward the drawing of the furnace chamber 17, and a casing that encloses the furnace chamber 17, the heater 72, and the heater 74. 28, a gantry 36 having a magnet (not shown) that generates a rotating magnetic field therein, and sheath thermocouples 50 and 52 that are embedded in the container 12 and measure the temperature of the container 12. In the thermoelectric material manufacturing apparatus 200, the BiTe mixture melt 10 can be swung by rotating the stirring bar 70 by the rotating magnetic field generated by the magnet of the gantry 36. Further, when the BiTe mixture melt 10 is swung, the introduced gas bubbles are taken in and solidified in that state, so that the gas bubbles remain in the BiTe thermoelectric material, which becomes the scattering center. Can do. In addition to the magnetic stirrer, a high-frequency induction heating furnace in which a coil is set around a vessel in which a BiTe mixture is sealed and a high frequency is applied to generate an induction current in the melt can be used. In the high-frequency induction heating furnace, the BiTe mixture melt can be heated by the induction current, and the BiTe mixture melt can be stirred by the Lorentz force received by the induction current. By this agitation, the introduced gas bubbles are taken in and solidified in that state, so that the gas bubbles remaining in the BiTe-based thermoelectric material become a scattering center, and the thermal conductivity of the thermoelectric material can be reduced.
[0046]
The thermoelectric material of each embodiment uses Bi and Te as raw materials, but in addition thereto, an element selected from Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Fe, Mn, Co, and Si Can also contain at least two or more. In particular, a chalcogenite-based raw material of a combination of at least one of Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As and Se or Te, or a combination of any one of Fe, Mn, Co, Ge and Si Silicide-based raw materials and BiSb-based materials are suitable.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, in the thermoelectric material manufacturing method and thermoelectric material manufacturing apparatus of the present invention, when manufacturing a thermoelectric material in which a scattering center object that scatters phonons is added to the base material, the scattering center object and the base material Since the mixture melt is swung and the mixture is cooled, the scattering center can be uniformly dispersed in the thermoelectric material. Further, since the mixture is solidified without a stable liquid surface, the crystal grain size of the base material of the manufactured thermoelectric material is reduced. As a result, the mean free path of phonons is reduced, the phonon thermal conductivity is reduced, and consequently the thermal conductivity κ is reduced. Further, the gap between the crystal grains is as small as the melted material, and the electrical conductivity σ is kept high. As a result, a thermoelectric material having a high figure of merit can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a thermoelectric material manufacturing apparatus 100 of the present embodiment.
FIG. 2 is a plan view of the container 12. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the thermoelectric material of the present embodiment.
5 is a cross-sectional view of the container 12 provided with a stirring blade 50. FIG.
6 is a cross-sectional view of the container 12 provided with a stirring ball 52. FIG.
FIG. 7 is a schematic view showing a configuration of a thermoelectric material manufacturing apparatus 200 according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
10 BiTe mixture melt, 12 container, 14 sample tube, 16 furnace tube, 17 furnace chamber, 21 controller, 22 heater controller, 30, 31 drive circuit, 24, 26 heater, 32 drive belt, 40 protrusion, 42 Pulley, 100, 200 Thermoelectric material manufacturing equipment.

Claims (21)

フォノンを散乱する散乱中心物と母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料の製造方法であって、
前記散乱中心物と前記母材との混合物融液を容器に封入し揺動するとともに該混合物を冷却する揺動冷却工程を備え
前記散乱中心物は、B、C、Si、Pのいずれかの単体又はB、C、Si、N、Zr、Ti、O、Mo、Wから選択される少なくとも2種以上の元素を含む化合物の粉末粒子であり、
さらに、前記粉末粒子を前記母材に添加する添加工程と、
該母材を溶融する溶融工程と、
を備えることを特徴とする熱電材料の製造方法。
A thermoelectric material manufacturing method for manufacturing a thermoelectric material including a scattering center and a base material that scatters phonons,
A rocking cooling step of cooling the mixture while shaking the mixture melt of the scattering center and the base material in a container ;
The scattering center is a compound containing at least two elements selected from B, C, Si, P alone or B, C, Si, N, Zr, Ti, O, Mo, W. Powder particles,
Furthermore, an addition step of adding the powder particles to the base material;
A melting step of melting the base material;
A method for producing a thermoelectric material, comprising:
フォノンを散乱する散乱中心物と母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料の製造方法であって、
前記散乱中心物と前記母材との混合物融液を容器に封入し揺動するとともに該混合物を冷却する揺動冷却工程を備え
前記散乱中心物は、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡であり、
さらに、前記母材を溶融するとともに溶融した該母材に前記ガスの気泡を導入する溶融工程、を備えることを特徴とする熱電材料の製造方法。
A thermoelectric material manufacturing method for manufacturing a thermoelectric material including a scattering center and a base material that scatters phonons,
A rocking cooling step of cooling the mixture while shaking the mixture melt of the scattering center and the base material in a container ;
The scattering center is an inert gas or reducing gas bubble,
Furthermore, the manufacturing method of the thermoelectric material characterized by including the melting | fusing process which introduce | transduces the bubble of the said gas into the molten base material while melting the base material.
前記揺動冷却工程は、前記混合物に温度勾配を設けた状態で該混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱電材料の製造方法。 3. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the swing cooling step is a step of swinging the mixture in a state where a temperature gradient is provided in the mixture and cooling the mixture. Production method. 請求項1〜のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法であって、
前記容器には内部に撹拌子が設けられ、
前記揺動冷却工程は、前記撹拌子で前記混合物を撹拌することにより該混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする熱電材料の製造方法。
It is a manufacturing method of the thermoelectric material given in any 1 paragraph of Claims 1-3 ,
The container is provided with a stirring bar inside,
The method for producing a thermoelectric material is characterized in that the rocking cooling step is a step of rocking the mixture by stirring the mixture with the stirrer and cooling the mixture.
前記揺動冷却工程は、前記容器を回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。Said oscillating cooling step, the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a step of cooling the mixture while oscillating the mixture by rotating the container Production method. 前記揺動冷却工程は、前記容器を5〜3000回転/分の回転数で回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項に記載の熱電材料の製造方法。Said oscillating cooling step of claim 5, characterized in that the step of cooling the mixture while oscillating the mixture by rotating the container at a rotational speed of 5 to 3000 rev / min Thermoelectric material manufacturing method. 前記揺動冷却工程は、前記容器の回転方向を変えながら前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項に記載の熱電材料の製造方法。6. The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 5 , wherein the rocking cooling step is a step of rocking the mixture while changing a rotation direction of the container and cooling the mixture. 前記揺動冷却工程は、前記容器の回転と停止とを繰り返しながら前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項に記載の熱電材料の製造方法。6. The method of manufacturing a thermoelectric material according to claim 5 , wherein the swing cooling step is a step of swinging the mixture while repeating rotation and stop of the container and cooling the mixture. 前記揺動冷却工程は、前記容器の回転軸を重力方向に対して傾斜させ前記容器を回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。Said oscillating cooling step, claim 5, characterized in that the step of cooling the mixture while oscillating the mixture by rotating the container is inclined rotation axis of said container with respect to the direction of gravity method for producing a thermoelectric material according to any one of 1-8. 前記揺動冷却工程は、前記容器の回転軸を重力方向に対して垂直にして該容器を回転させることにより前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する工程であることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。The rocking cooling step is a step of rocking the mixture and cooling the mixture by rotating the container with the rotation axis of the container perpendicular to the direction of gravity. method for producing a thermoelectric material according to any one of 5-8. Bi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Te、Fe、Mn、Co、Siから選択される少なくとも2種以上の元素を含む母材と、フォノンを散乱する散乱中心物と、を含む混合物から製造される熱電材料であって、
前記混合物は平均結晶粒径が2μm〜20μmで、充填率が95〜100%であり、
前記散乱中心物は、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡からなり、前記散乱中心物は前記母材中に均一に分散していることを特徴とする熱電材料。
A base material containing at least two elements selected from Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co, and Si, and a scattering center that scatters phonons A thermoelectric material produced from a mixture comprising:
The mixture has an average crystal grain size of 2 μm to 20 μm and a filling rate of 95 to 100%,
The scattering center is composed of bubbles of an inert gas or a reducing gas, and the scattering center is uniformly dispersed in the base material.
前記母材は、熱電半導体の溶製材からなることを特徴とする請求項11に記載の熱電材料。The thermoelectric material according to claim 11 , wherein the base material is made of a thermoelectric semiconductor melting material. フォノンを散乱する散乱中心物と母材とを含む熱電材料を製造する熱電材料製造装置であって、
前記散乱中心物と前記母材との混合物融液を封入する容器と、
該容器を揺動し前記混合物を揺動するともに該混合物を冷却する揺動冷却手段と、
を備えることを特徴とする熱電材料製造装置。
A thermoelectric material manufacturing apparatus for manufacturing a thermoelectric material including a scattering center and a base material that scatters phonons,
A container for enclosing a mixture melt of the scattering center and the base material;
Rocking cooling means for rocking the container and rocking the mixture and cooling the mixture;
A thermoelectric material manufacturing apparatus comprising:
請求項13に記載の熱電材料製造装置であって、
前記散乱中心物は、不活性ガスまたは還元性ガスの気泡であり、
溶融状態の前記母材に前記ガスを導入するガス導入手段、
を備えることを特徴とする熱電材料製造装置。
The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 13 ,
The scattering center is an inert gas or reducing gas bubble,
A gas introduction means for introducing the gas into the base material in a molten state;
A thermoelectric material manufacturing apparatus comprising:
前記容器内の混合物に温度勾配を設定する温度勾配設定手段を有することを特徴とする請求項13又は14に記載の熱電材料製造装置。The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 13 or 14 , further comprising temperature gradient setting means for setting a temperature gradient in the mixture in the container. 前記容器の内部に前記混合物を撹拌する撹拌子が設けられていることを特徴とする請求項1315のいずれか1項に記載の熱電材料製造装置。Thermoelectric material production apparatus according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the stirrer for stirring the mixture in the interior of the container is provided. 前記揺動冷却手段は、前記容器を回転させ前記混合物を揺動するとともに該混合物を冷却する手段であることを特徴とする請求項1316のいずれか1項に記載の熱電材料製造装置。The rocking cooling means, thermoelectric material production apparatus according to any one of claims 13 to 16, characterized in that while oscillating the mixture by rotating the container is a means for cooling the mixture. 前記揺動冷却手段は、前記容器の回転方向を制御する回転方向制御手段を有することを特徴とする請求項17に記載の熱電材料製造装置。The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 17 , wherein the swing cooling means includes a rotation direction control means for controlling a rotation direction of the container. 前記揺動冷却手段は、前記容器の回転軸を前記容器に重力方向に対して傾斜させる回転軸傾斜手段を有することを特徴とする請求項17又は18に記載の熱電材料製造装置。The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 17 or 18 , wherein the swing cooling means includes a rotation axis inclination means for inclining the rotation axis of the container with respect to a gravitational direction. 前記揺動冷却手段は、前記容器を重力方向に垂直な回転軸で回転させる手段であることを特徴とする請求項17又は18に記載の熱電材料製造装置。The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 17 or 18 , wherein the swing cooling means is means for rotating the container with a rotation axis perpendicular to the direction of gravity. 前記揺動冷却手段は、マグネチックスターラであることを特徴とする請求項16に記載の熱電材料製造装置。The thermoelectric material manufacturing apparatus according to claim 16 , wherein the swing cooling means is a magnetic stirrer.
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