JP4894641B2 - Thermoelectric conversion material - Google Patents

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本発明は、コバルト酸化物よりなる熱電変換材料に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material made of cobalt oxide.

物質の両端に温度差(ΔT)をつけると、その両端には熱起電力(ΔV)が発生する。このときの比例係数をゼーベック係数(S=ΔV/ΔT)という。試料両端に端子を設け回路を組めば、その物質は温度の差の下で一種の“電池”の役目を果たす。
即ち、熱を電気に変換できることになる。これを熱電変換、その能力・性能を熱電能という。そして、効率よく熱電変換する材料を、熱電材料という。
現在地球上では、燃料の使用によって膨大な廃熱が発生し、ほぼ全てが大気中に放出されている。その一部を電気に変換して有効に再利用すれば、大きな省エネルギーに繋がることは間違いない。これを実現するためには、より効率のいい熱電材料を開発する必要がある。
熱電材料を用いた回路から効率よく電流を取り出すには、材料物質のゼーベック係数が大きいことのみならず、電気抵抗率(ρ)が低い必要がある。これは電池の内部抵抗に相当する。また、試料端の温度差を維持するためには、熱伝導(κ)は低い方が都合がよい。
When a temperature difference (ΔT) is applied to both ends of a substance, a thermoelectromotive force (ΔV) is generated at both ends. The proportionality coefficient at this time is referred to as Seebeck coefficient (S = ΔV / ΔT). If a circuit is formed by providing terminals at both ends of the sample, the substance acts as a kind of “battery” under the difference in temperature.
That is, heat can be converted into electricity. This is called thermoelectric conversion, and its capacity and performance are called thermoelectric power. A material that efficiently performs thermoelectric conversion is referred to as a thermoelectric material.
Currently, a huge amount of waste heat is generated by the use of fuel on the earth, and almost all is released into the atmosphere. If a part of it is converted into electricity and reused effectively, there is no doubt that it will lead to significant energy savings. To achieve this, it is necessary to develop more efficient thermoelectric materials.
In order to efficiently extract a current from a circuit using a thermoelectric material, not only the Seebeck coefficient of the material substance is large, but also the electrical resistivity (ρ) needs to be low. This corresponds to the internal resistance of the battery. Further, in order to maintain the temperature difference at the sample end, it is advantageous that the heat conduction (κ) is low.

一般に、熱電性能を表すには、性能指数Z=S/ρκ、または、S/ρが用いられる。Zに温度Tを乗じた無次元指数ZTが1を超えることが実用上の目安とされている。
一方、ゼーベック効果の逆過程も存在する。すなわち、物質に電流を流すと導線との接合部で吸熱・発熱反応が起きる。これをペルチェ効果とよぶ。
この原理に基づく電子冷却素子は、一部実用化されている。
In general, the figure of merit Z = S 2 / ρκ or S 2 / ρ is used to represent thermoelectric performance. A practical guideline is that a dimensionless index ZT obtained by multiplying Z by temperature T exceeds 1.
On the other hand, there is a reverse process of the Seebeck effect. That is, when a current is passed through the substance, endothermic and exothermic reactions occur at the junction with the conductive wire. This is called the Peltier effect.
Some electronic cooling elements based on this principle have been put into practical use.

従来知られている熱電材料は、BiTeやPbTe、Si−Ge系などの縮体半導体が主である。通常の半導体は比較的大きなゼーベック係数を持つが、電気抵抗が大きいために熱電材料としては利用できない。一方、金属のゼーベック係数は通常小さい。BiTeやPbTe、Si−Ge系などは、不純物添加などによってキャリアを大量にドープ(N>1019cm;N:キャリア量)することで、大きなゼーベック係数と比較的低い電気抵抗率を両立している。 Conventionally known thermoelectric materials are mainly compact semiconductors such as Bi 2 Te 3 , PbTe, and Si—Ge. A normal semiconductor has a relatively large Seebeck coefficient, but cannot be used as a thermoelectric material because of its large electric resistance. On the other hand, the Seebeck coefficient of metals is usually small. Bi 2 Te 3 , PbTe, Si—Ge, etc. dope a large amount of carriers by adding impurities (N> 10 19 cm 3 ; N: carrier amount), so that a large Seebeck coefficient and a relatively low electrical resistivity are obtained. Are compatible.

10年ほど前に、層状コバルト酸化物NaCoが高い熱電能を示すことが報告された(非特許文献1)。その後、一連の層状化合物でも同様に高い熱電能を示すことが判明した。(例えば、CaCo:非特許文献2、BiSrCo:非特許文献3)これらのコバルト酸化物では、従来の縮耐半導体系材料とは異なり、その高い熱起電力の発生メカニズムは3d軌道内で生じる電子相関と強く関連していると考えられている。(例えば、非特許文献4)特異なメカニズム故に、従来の縮体半導体系熱電材料の特性を一気に凌駕してしまう可能性がある。コバルト酸化物は、結晶構造内にCdI型のCoO三角格子層を含むものであって、高熱電能は、銅酸化物の高温超伝導、マンガン酸化物の巨大磁気抵抗効果などと並び、巨視的量子効果のひとつとして、近年、物性研究者等の中で大いに注目を集めている。 About 10 years ago, it was reported that the layered cobalt oxide NaCo 2 O 4 exhibits high thermoelectric power (Non-patent Document 1). Subsequently, it was found that a series of layered compounds showed high thermoelectric power as well. (For example, Ca 3 Co 4 O 9 : Non-Patent Document 2, Bi 2 Sr 2 Co 2 O 9 : Non-Patent Document 3) These cobalt oxides, unlike conventional shrink-resistant semiconductor materials, have high heat The electromotive force generation mechanism is considered to be strongly related to the electron correlation occurring in the 3d orbit. (For example, Non-Patent Document 4) Because of a unique mechanism, there is a possibility that the characteristics of conventional compact semiconductor-based thermoelectric materials may be surpassed at once. Cobalt oxide includes a CdI 2 type CoO 2 triangular lattice layer in the crystal structure, and its high thermoelectric power is aligned with high-temperature superconductivity of copper oxide, giant magnetoresistance effect of manganese oxide, etc. As one of the quantum effects, it has recently attracted much attention among physical property researchers.

しかし、室温以上では、従来の層状コバルト酸化物では飽和傾向にあり、かつ、電気抵抗率も温度と共に上昇するので、効率(S/ρ)が悪くなる欠点がある。 However, at room temperature or higher, the conventional layered cobalt oxide tends to be saturated, and the electrical resistivity also increases with temperature, so that there is a drawback that the efficiency (S 2 / ρ) is deteriorated.

I. Terasaki, Y. Sasago, and K. Uchinokura, Phys. Rev. B 56 (1997) R12685I. Terasaki, Y. et al. Sasago, and K.K. Uchinokura, Phys. Rev. B 56 (1997) R12585 Ca3Co4O9: A. C. Masset, C. Michel, A. Maignan, M. Hervieu, O. Toulemonde, F. Studer, B. Raveau, and J. Hejtmanek, Phys. Rev. B 62 (2000) 166Ca3Co4O9: A. C. Masset, C.I. Michel, A.M. Mainan, M.M. Hervieu, O .; Toulmonde, F.M. Studer, B.A. Raveau, and J.M. Hejtmanek, Phys. Rev. B 62 (2000) 166 F. Chen, K. L. Stokes, R. Funahashi, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 2379.F. Chen, K.K. L. Stokes, R.M. Funahashi, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 2379. W. Koshibae, K. Tsutsui, and S. Maekawa, Phys. Rev. B 62 (2000) 6869.W. Koshibae, K .; Tsutsui, and S.A. Maekawa, Phys. Rev. B 62 (2000) 6869.

本発明は、このような実情に鑑み、熱依存性を低減して、室温以上の温度領域において、最大クラスのゼーベック係数を持つ熱電変換材料を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion material having a maximum class Seebeck coefficient in a temperature region of room temperature or higher by reducing heat dependency.

本発明の熱電変換材料は、CaFe(カルシウム・フェライト)型構造を有し、そのFeがCoに置換されてなることを特徴とする。 The thermoelectric conversion material of the present invention has a CaFe 2 O 4 (calcium / ferrite) type structure, and is characterized in that the Fe is substituted with Co.

今回見いだした物質CaCoは、室温以上の温度領域において、最大クラスのゼーベック係数を持つ。
従来の層状コバルト酸化物では飽和傾向にあり、かつ、電気抵抗率も温度と共に上昇するので、効率(S/ρ)が悪くなる欠点がある。
The substance CaCo 2 O 4 found this time has the largest class Seebeck coefficient in the temperature region above room temperature.
Conventional layered cobalt oxides tend to be saturated, and the electrical resistivity also increases with temperature, so that the efficiency (S 2 / ρ) is disadvantageously deteriorated.

しかしながら、Koshibaeらの理論予想(前出の文献(非特許文献4))は、特に層状コバルト系物質に限定されるものではなく、適切な電子状態と結晶構造を持つ遷移金属酸化物に拡張されるべきものとの考えから、我々は、様々な遷移金属酸化物を物質合成探索した結果、今回の新物質CaCoを初めて合成することに成功した。
さらにこの物質が、従来の層状コバルト酸化物に優るとも劣らない熱電材料としての潜在能力を持つことを見いだした。
特に、本物質は室温付近で大きなゼーベック係数を持つことを示す。さらに、ゼーベック係数は、温度変化に対して、室温より少々高い温度であっても殆ど飽和しないという特長を持つ。
従来物質に較べ電気抵抗率が少し高めなので、そのまま本物質を熱電材料として用いるのは難しいが、本物質を元に、単結晶化や適度なキャリアドープを行えば電気抵抗率を数桁下げられることは容易に推測できる。このようにして得られた物質は、従来の熱電材料に匹敵する性能を発揮する可能性が十分ある。
However, the theoretical prediction of Koshibae et al. (Previously cited document (Non-Patent Document 4)) is not limited to a layered cobalt-based material, but is extended to a transition metal oxide having an appropriate electronic state and crystal structure. As a result of material synthesis search of various transition metal oxides, we succeeded in synthesizing the new material CaCo 2 O 4 for the first time.
Furthermore, it has been found that this substance has a potential as a thermoelectric material not inferior to conventional layered cobalt oxide.
In particular, this substance shows a large Seebeck coefficient near room temperature. Furthermore, the Seebeck coefficient has a feature that it hardly saturates even at a temperature slightly higher than room temperature with respect to a temperature change.
Since the electrical resistivity is a little higher than that of the conventional material, it is difficult to use this material as a thermoelectric material as it is. However, if single crystallization or appropriate carrier doping is performed based on this material, the electrical resistivity can be reduced by several orders of magnitude. That can be easily guessed. The substance thus obtained is likely to exhibit performance comparable to conventional thermoelectric materials.

<CaCoの合成方法>
CaCo多結晶試料は、高温高圧合成法(高温高圧下での固相反応法)によって人工的に作り出された。(自然界にも恐らく存在しない。)本物質は高圧下でのみ合成可能な物質と考えられる。原料粉が高温高圧下で化学反応して本物質が形成されるが、反応後、高圧を保持したまま室温まで急冷(クエンチ)し、その後、圧力を解放する。これにより、室温常圧でも安定して保持できる。
<Method for synthesizing CaCo 2 O 4 >
The CaCo 2 O 4 polycrystalline sample was artificially produced by a high-temperature and high-pressure synthesis method (solid-phase reaction method under high temperature and high pressure). (May not exist in nature.) This substance is considered a substance that can be synthesized only under high pressure. The raw material powder is chemically reacted under high temperature and high pressure to form this substance, but after the reaction, it is rapidly cooled (quenched) to room temperature while maintaining the high pressure, and then the pressure is released. Thereby, it can hold | maintain stably also at room temperature normal pressure.

高圧合成の出発原料にはCo(3N)と(CaCoO0.62CoO粉末を用いた。
ここで後者((CaCoO0.62CoO)の粉末は先んじてCoとCaCO(3N)粉末を常圧下での固相反応法(1気圧Oガス気流中、900-950°Cで反応。途中、数回の粉砕混合を行う。)を用いることですることにより得られた。
Co : (CaCoO0.62CoO = 0.86 : 3のモル比で混合された粉末を作る。今回、混合には瑪瑙乳鉢を使用した。今回は上記の原料を用いたが、原子のモル比がCa:Co:O=1:2:4+δであればよく、他の出発原料の使用も可能と考えられる。ここで、δは過剰な酸素量を意味する。
高圧合成は閉鎖系で反応が進むため、上記以外の元素が入っていてはいけない。たとえば、CaCOなどの炭酸塩は、余分のC原子が存在するので原料としては不可。硝酸塩も同様に不可。混合粉末は、300°Cで数時間乾燥された。
Co 3 O 4 (3N) and (Ca 2 CoO 3 ) 0.62 CoO 2 powder were used as starting materials for the high-pressure synthesis.
In this case, the latter ((Ca 2 CoO 3 ) 0.62 CoO 2 ) was first prepared by subjecting Co 3 O 4 and CaCO 3 (3N) powder to a solid-phase reaction method under normal pressure (in a 1 atm O 2 gas stream, The reaction was performed at 900-950 ° C. In the middle, several times of pulverization and mixing were performed.
Co 3 O 4 : (Ca 2 CoO 3 ) 0.62 CoO 2 = 0.86: A powder mixed in a molar ratio of 3 is made. This time, an agate mortar was used for mixing. Although the above raw materials were used this time, the molar ratio of the atoms may be Ca: Co: O = 1: 2: 4 + δ, and other starting materials can be used. Here, δ means an excessive amount of oxygen.
Since high-pressure synthesis proceeds in a closed system, it must not contain any other elements. For example, carbonates such as CaCO 3 cannot be used as raw materials because there are extra C atoms. Nitrate is also impossible. The mixed powder was dried at 300 ° C. for several hours.

混合粉末を白金カプセルに充填・密閉する。このときの白金カプセルの大きさは、直径(外径)6.8 mm、0.2 mm厚、高さ約5 mmであった。これは高圧合成装置の試料空間の制約から来る大きさである。粉末充填はアルゴンガスを満たしたグローブボックス中で行った。この白金カプセルを圧力セル(岩塩を主成分とした圧力媒体、および、カーボンヒーター等で構成)に組み込む。フラットベルト型の高圧プレス装置を用いて、高温高圧下(1500°C, 6GPa)で1時間反応させた後、室温まで急冷、圧力解放を行う。   Fill and seal the mixed powder in a platinum capsule. At this time, the platinum capsule had a diameter (outer diameter) of 6.8 mm, a thickness of 0.2 mm, and a height of about 5 mm. This is due to the limitation of the sample space of the high pressure synthesizer. Powder filling was performed in a glove box filled with argon gas. This platinum capsule is incorporated into a pressure cell (comprised of a pressure medium mainly composed of rock salt and a carbon heater). Using a flat belt type high-pressure press, the reaction is carried out under high temperature and high pressure (1500 ° C., 6 GPa) for 1 hour, followed by rapid cooling to room temperature and pressure release.

熱処理された白金カプセルを取り出し、さらに中の生成物(試料)を取り出す。反応により試料はペレット状に焼結している。試料表面は、カプセル材料の白金と反応している可能性があるので、表面を削り取る。最終的に約0.4 g程度のバルク塊試料が得られた。図8は、得られたペレット上試料を破砕して得た小片の写真である。ほぼ黒い塊である。   The heat-treated platinum capsule is taken out, and the product (sample) inside is taken out. The sample is sintered into pellets by the reaction. Since the sample surface may have reacted with the platinum of the capsule material, the surface is scraped off. Finally, a bulk mass sample of about 0.4 g was obtained. FIG. 8 is a photograph of a small piece obtained by crushing the sample on the pellet obtained. It is an almost black mass.

高温高圧下で合成されることが重要である。プレス装置の種類や試料の大きさは重要ではない。また、反応温度・圧力・時間などもこの1点でないと合成できないというわけではなく、多少の幅は許容できると思われる。ただし、良質の試料を得るためには、温度・圧力、混合状態などの均一性はある程度保証される必要がある。また、カプセルの種類も他にも可能かもしれない。今回、融点が高く、生成物と比較的反応の少ない白金を選んだ。   It is important to be synthesized under high temperature and pressure. The type of press and the size of the sample are not important. In addition, the reaction temperature, pressure, time, etc. are not limited to this one point, and the synthesis cannot be performed, and it seems that some range is acceptable. However, in order to obtain a good quality sample, it is necessary to guarantee the uniformity of temperature, pressure, mixing state, etc. to some extent. Other types of capsules may also be possible. This time, we chose platinum, which has a high melting point and relatively little reaction with the product.

<試料評価方法>
試料の同定と結晶構造解析用データを得るため、通常の実験室系の粉末X線回折法を用いた。今回用いた回折装置は、リガクRINT−ULTIMA III(CuKα線、Bragg−Brentano光学系、ゴニオ半径285 mm)である。構造の精密化はリートベルド解析法(RIETAN−2000プログラム)にて行った。測定条件は、2θ=10−110度、ステップスキャンモード、ステップ幅0.02度、データ蓄積時間30秒/1ステップ、発散スリット=散乱スリット=1/3度、受光スリット=0.3 mmであった。結合長と結合角の計算にはORFFEプログラムを使用した。
磁気データ測定には、Quantum Design社製のSQUID (MPMS)装置を用いた。粉末試料(200.97 mg)を用いた。測定磁場は、1000 Oe、温度範囲は、2 K−350 Kである。ゼロフィールドクール測定、フィールドクール測定を行った。
物性測定(電気抵抗、熱起電力、比熱)の測定には、Quantum Design社製のPPMS装置を用いた。ゼーベック係数と抵抗率はTTO(熱伝導測定オプション)を用いて、同時に測定された。バルク試料のサイズは、1.5×2.1×5.5 mm、電圧・温度端子間の距離は2.9 mmである。試料電極には銅線を用い、試料表面に蒸着した金薄膜を介してオーミックコンタクトを形成した。データ収集は連続モードで行い、昇温速度は0.3 K/min.である。温度計にはCernox1050を用いた。電極間の温度差は、測定温度の3%未満に制御された。電気抵抗測定は、4端子法によるものである。0.01−0.05 mA、60−300 Hzの交流電流を用いた。測定温度範囲は、10 K−390 Kである。比熱はPPMSを使用し、緩和法にて302 K−2 Kの範囲で測定した。用いた試料の質量は、12.34 mgであった。
<Sample evaluation method>
In order to obtain data for sample identification and crystal structure analysis, an ordinary laboratory powder X-ray diffraction method was used. The diffraction device used this time is Rigaku RINT-ULTIMA III (CuKα ray, Bragg-Brentano optical system, gonio radius 285 mm). The refinement of the structure was performed by Rietveld analysis (Rietan-2000 program). Measurement conditions are 2θ = 10-110 degrees, step scan mode, step width 0.02 degrees, data accumulation time 30 seconds / 1 step, diverging slit = scattering slit = 1/3 degree, light receiving slit = 0.3 mm. there were. The OFFE program was used for calculation of bond length and bond angle.
For the magnetic data measurement, a SQUID (MPMS) apparatus manufactured by Quantum Design was used. A powder sample (20.97 mg) was used. The measurement magnetic field is 1000 Oe, and the temperature range is 2 K-350 K. Zero field cool measurement and field cool measurement were performed.
For the measurement of physical properties (electric resistance, thermoelectromotive force, specific heat), a PPMS device manufactured by Quantum Design was used. Seebeck coefficient and resistivity were measured simultaneously using TTO (thermal conductivity measurement option). The size of the bulk sample is 1.5 × 2.1 × 5.5 mm 3 , and the distance between the voltage / temperature terminals is 2.9 mm. A copper wire was used for the sample electrode, and an ohmic contact was formed through a gold thin film deposited on the sample surface. Data collection is performed in a continuous mode, and the heating rate is 0.3 K / min. It is. Cernox 1050 was used for the thermometer. The temperature difference between the electrodes was controlled to be less than 3% of the measured temperature. The electrical resistance measurement is based on the 4-terminal method. An alternating current of 0.01-0.05 mA, 60-300 Hz was used. The measurement temperature range is 10 K-390 K. Specific heat was measured in the range of 302 K-2 K by relaxation using PPMS. The mass of the sample used was 12.34 mg.

<測定・解析結果(CaCoの結晶構造と物性)>
結晶構造
図1(測定データ:表4−1〜4−6)にCaCoの粉末X線回折パターンを示す。この図は、粉末X線回折法により得られたパターンである。ブラッグの反射条件λ=2dsinθ(λ=1.540593 Å, CuKα特性X線の波長、d:格子面間隔、θ:ブラッグ反射角)を満たす回折角(2θ)から格子面間隔dが求められる。さらに、ピーク強度(Ihkl)の測定値と計算値を数値フィットさせることで結晶構造モデルを精密化する方法がリートベルド法である。赤+は測定値、実線は理論値、青実線はその差分、緑線はブラッグ反射位置を示す。図1は、CaFe構造に特有(類似)のパターンを示している。
ブラッグ反射の強度と2θ角度は表1にまとめられている。全ての反射はa=8.789(2) Å, b=2.9006(7) Å, c=10.282(3)Åの格子定数を持つ斜方晶系格子を用いて指数づけ可能である。これは試料純度が高い(不純物相が含まれていない)ことを示している。消滅則は、k+l=2n (0kl), h=2n (hk0)であるから、可能な空間群はPnma (No. 62)とPn2a (No. 33)になる。ここでは、高対称性のPnmaを仮定する。
<Measurement and analysis results (CaCo 2 O 4 crystal structure and physical properties)>
Crystal structure FIG. 1 (measurement data: Tables 4-1 to 4-6) shows a powder X-ray diffraction pattern of CaCo 2 O 3 . This figure is a pattern obtained by a powder X-ray diffraction method. The grating plane distance d is obtained from the diffraction angle (2θ) satisfying the Bragg reflection condition λ = 2 d sin θ (λ = 1.540593 Å, CuK α characteristic X-ray wavelength, d: grating plane spacing, θ: Bragg reflection angle). . Furthermore, the Rietveld method is a method of refining the crystal structure model by numerically fitting measured values and calculated values of peak intensity (I hkl ). Red + indicates the measured value, solid line indicates the theoretical value, blue solid line indicates the difference, and green line indicates the Bragg reflection position. FIG. 1 shows a pattern specific (similar) to the CaFe 2 O 4 structure.
The intensity of Bragg reflection and the 2θ angle are summarized in Table 1. All reflections can be indexed using an orthorhombic lattice with lattice constants of a = 8.789 (2) Å, b = 2.9006 (7) Å, c = 10.282 (3) Å. is there. This indicates that the sample purity is high (impurity phase is not included). Since the extinction rule is k + 1 = 2n (0kl) and h = 2n (hk0), the possible space groups are Pnma (No. 62) and Pn2 1 a (No. 33). Here, highly symmetrical Pnma is assumed.


CaCoの構造解析は、X線リートベルド解析により行った。図1の回折パターンはリートベルド解析結果をも示すものである。ここで、構造モデルとしてはCaFeと同じモデルを用いた。得られた原子座標等の構造パラメータ、および、結晶学的データは表2にまとめられている。表3には結合距離と結合角度がまとめられている。

The structural analysis of CaCo 2 O 3 was performed by X-ray Rietveld analysis. The diffraction pattern in FIG. 1 also shows the Rietveld analysis result. Here, the same model as CaFe 2 O 4 was used as the structural model. The obtained structural parameters such as atomic coordinates and crystallographic data are summarized in Table 2. Table 3 summarizes the coupling distance and the coupling angle.

図2、図3に得られた結晶構造の図を示す。これは表2の数値を用いて描かれたものである。
図3は、表1の座標データを用いて作図された。(a)では、CoO八面体の頂点の酸素を省略して描かれている。(b) 複数のCoO八面体がb軸方向(紙面に奥方向)に辺共有で結合し、二重鎖を形成する。二重鎖は、頂点共有で隣の二重鎖と結合し、三次元のネットワークを形成する。
図3に示すように、CaCoの構造で最も特徴的な点は、b軸方向に走るCo−Oの二重鎖である。これはCoO6八面体が二重鎖内では辺共有、二重鎖間では頂点共有することで形成されている。Co−Oの三角格子の部分格子を形成していると見なすこともできる。Co原子のt2g軌道はお互いに同一方向を向き、軌道は重なり合っていることが予想される。
2 and 3 show the crystal structures obtained. This is drawn using the values in Table 2.
FIG. 3 was drawn using the coordinate data of Table 1. In (a), the oxygen at the apex of the CoO 6 octahedron is omitted. (B) A plurality of CoO 6 octahedrons are bonded side by side in the b-axis direction (backward direction on the paper surface) to form a double chain. Duplexes share a vertex and join with neighboring duplexes to form a three-dimensional network.
As shown in FIG. 3, the most characteristic point in the structure of CaCo 2 O 3 is a Co—O double chain running in the b-axis direction. This is formed by the CoO6 octahedron sharing sides within the double chain and sharing vertices between the double chains. It can also be regarded as forming a partial lattice of a Co—O triangular lattice. The t 2g orbitals of Co atoms are oriented in the same direction, and the orbits are expected to overlap.

Co−O結合長はイオン半径から予測される距離と大局的にはほぼ同じであり、構造としての矛盾はない。Co−O結合長同士で僅かな差が見られるが、その比較解析から、酸素八面体内のCo原子は二重鎖の内側(Co−Co間距離が短くなる側)に僅かに変位していることがわかる。二重鎖構造の特徴である。二重鎖内の結合角はほぼ90度である。これはCo t2g軌道の重なりが可能となる角度であり、二重鎖内では電荷移動が可能な状況にあることを意味する。他方、二重鎖間の結合角は130度前後である。もし180度であれば軌道の重なりはほぼ無視して良いことになるが、実測のように130度であることは、二重鎖間でもt2g軌道が重なる成分が無視できない(即ち、二重鎖間でもある程度の電荷移動が可能な状況にある)ことを意味している。実際に後述する物性でも明確な異方性(1次元性)は観測されなかった。これは本物質が電子構造的には、構造に起因した3次元的な特徴があることを意味している。 The Co—O bond length is roughly the same as the distance predicted from the ionic radius, and there is no structural contradiction. Although there is a slight difference between the Co-O bond lengths, the comparative analysis shows that the Co atoms in the oxygen octahedron are slightly displaced inside the double chain (the side where the distance between Co-Co becomes shorter). I understand that. It is a characteristic of the double chain structure. The bond angle within the duplex is approximately 90 degrees. This is an angle at which the Co t 2g orbits can be overlapped, which means that charge transfer is possible in the double chain. On the other hand, the bond angle between the double chains is around 130 degrees. If it is 180 degrees, the overlap of the orbits can be almost ignored, but 130 degrees as measured is that the component where the t 2g orbits overlap is not negligible even between the double chains (ie, double This means that a certain amount of charge transfer is possible even between chains. Actually, no clear anisotropy (one-dimensional property) was observed even in the physical properties described later. This means that the substance has a three-dimensional characteristic due to the structure in terms of electronic structure.

磁化率
図4(測定データ:表5,6)に磁化率の温度依存性を示す。図4は、この系の磁性が、キュリーワイス常磁性でほぼ表現できることを意味する。キュリー定数(C)は小さく、基底状態がコバルト3価の低スピン状態(Co3+, 3d2g, S=0)であることを意味する。小さいながらも有限のC値が観測されることから、12%程度のS=1/2の(ほぼ)孤立したスピンが存在すると思われる。孤立スピンの原因は、わずかな(磁気的)不純物や格子欠陥などが考えられるが、経験的な値との比較から、これらだけで説明するのは難しい。むしろ、それに加えて少量(数%程度)のホールが存在すると考えるのが妥当である。ホールの存在は、電気抵抗やゼーベック係数、比熱の測定データからも示唆される。キューリー温度(θ)は小さく、スピン間の相互作用はかなり弱く、ほぼ孤立状態にあると考えて良い。また、磁気転移は、この測定温度範囲では観測されない。相転移によるエントロピーの解放がないことが、低温まで残留エントロピーが存在し、電荷と結合することで大きな熱電起電力を生じる原因と思われる。
Magnetic Susceptibility FIG. 4 (measurement data: Tables 5 and 6) shows the temperature dependence of magnetic susceptibility. FIG. 4 means that the magnetism of this system can be expressed almost by Curie-Weiss paramagnetism. The Curie constant (C) is small, meaning that the ground state is a cobalt trivalent low spin state (Co 3+ , 3d 6 t 2g , S = 0). Although a small but finite C value is observed, it seems that there are (almost) isolated spins of about 12% S = 1/2. The cause of the isolated spin may be a slight (magnetic) impurity or a lattice defect, but it is difficult to explain by itself based on comparison with empirical values. Rather, it is reasonable to consider that there is a small amount (a few percent) of holes in addition to that. The existence of holes is also suggested from measured data of electrical resistance, Seebeck coefficient, and specific heat. It can be considered that the Curie temperature (θ W ) is small, the interaction between spins is quite weak, and it is almost in an isolated state. Also, no magnetic transition is observed in this measurement temperature range. The lack of entropy release due to the phase transition is considered to be the cause of residual entropy even at low temperatures, which generates a large thermoelectric power by combining with the charge.

磁気転移や低次元性に起因する変化の兆候も全く見られない。温度変化はキュリー・ワイス的である。図内の実線はキュリー・ワイス近似による数値フィットにより求められたものである。これにより、キュリー定数とワイス温度が求まる。比較的小さなキュリー定数は、Coの磁気状態が基本的には3dの低スピン状態(S=0)にあることを意味する。有限のスピンは約12%程度のS=1/2スピンが存在することを意味する。その原因は主に、磁気的不純物であったり格子欠損であったりすると思われるが、それにしては12%という値はやや大きい感がある。恐らく、僅かな量のホールが存在し、その孤立スピンが関与していると考えるのが妥当である。ワイス温度が−1.3 Kで小さいことは、スピン間相互作用が弱く、ほぼ孤立状態にあることを示唆する。 There are no signs of change due to magnetic transitions or low dimensionality. The temperature change is Curie-Weiss-like. The solid line in the figure is obtained by numerical fitting by Curie-Weiss approximation. Thereby, the Curie constant and the Weiss temperature are obtained. A relatively small Curie constant means that the magnetic state of Co is basically in the 3d 6 low spin state (S = 0). Finite spin means that there are about 12% S = 1/2 spins. The cause seems to be mainly magnetic impurities or lattice defects, but the value of 12% has a slightly large feeling. Perhaps it is reasonable to think that there is a small amount of holes and that the isolated spin is involved. A small Weiss temperature of −1.3 K suggests that the spin-spin interaction is weak and almost in an isolated state.

電気抵抗
図5(測定データ:表7)に電気抵抗率の温度依存性を示す。
図5は、半導体的な温度依存性(温度下降に伴い、抵抗が桁で増加する傾向)を示す。低温(100K以下では、アーレニウス型ではなく、バリアブル・レンジ・ホッピング型の温度変化を示す(挿入図)。このことから、本系の電子状態は通常のバンドギャップ型半導体ではなく、むしろ、金属に近いもの(フェルミレベルで有限の状態密度が存在する)と考えられる。比熱データからも求められるように、フェルミレベルでの状態密度はそれほど大きいものではない(金属的な伝導を示す遷移金属酸化物の1桁程度下)。故に、低温では電荷局在が起こると考えられる。フェルミレベルは、恐らくCo t2g軌道を主とするバンドの上端付近を僅かに横切っていると推測される。
Electrical Resistance FIG. 5 (measurement data: Table 7) shows the temperature dependence of electrical resistivity.
FIG. 5 shows semiconductor temperature dependence (the tendency that resistance increases by a digit as temperature decreases). At low temperatures (below 100K, it shows not the Arrhenius type but the variable range hopping type temperature change (inset). From this, the electronic state of this system is not a normal bandgap semiconductor, but rather a metal It is considered to be close (there is a finite density of states at the Fermi level), and the density of states at the Fermi level is not so high (transition metal oxides exhibiting metallic conduction, as can be seen from the specific heat data) Therefore, it is considered that charge localization occurs at a low temperature, and it is presumed that the Fermi level slightly crosses near the upper end of the band mainly composed of Co t 2g orbitals.

測定温度を通じて半導体的な温度依存性を示すことが分かる。抵抗率の絶対値は380 Kにおいて3×10−1 ohm cmであり、電気伝導性酸化物においては半導体と金属のほぼ中間的な典型的な値に近い。100 Kから250 Kの間で温度依存性の曲率の変化が見られるのが特徴である。 It can be seen that semiconductor temperature dependence is shown through the measured temperature. The absolute value of the resistivity is 3 × 10 −1 ohm cm at 380 K, and is close to a typical value approximately halfway between a semiconductor and a metal in an electrically conductive oxide. It is characteristic that a temperature-dependent change in curvature is observed between 100 K and 250 K.

この測定結果にから、本系のCo t2g軌道は電子でほぼ満たされていることが推測される。フェルミレベル近傍の電子状態を知るため、挿入図のように、アーレニウス型、および、バリアブルレンジホッピング型の2種類のプロットを試みた。結果は、後者が直線的になることが判明した。これから、フェルミレベルには小さいが有限の状態密度が存在し、少量のキャリアが低温では局在していることが予想される。相の定比性が僅かにずれることによりキャリアが発生したのだと推測される。恐らく、フェルミレベルはCo t2gバンドの上端付近を僅かに横切っているのだと推測される。したがって、本質的には、本系の電子構造は金属的と考えるべきである。
室温付近での温度依存性は、むしろ熱活性型に近い。高温(室温付近)では局在キャリアはポテンシャル束縛から解放されるため、伝導機構の変化が現れる。熱活性型の伝導機構が何に起因するのかは現時点では断定できない。可能性のあるものとして、移動度端へのキャリア励起、ポーラロン、グレインバンダリ散乱などが考えられる。
From this measurement result, it is presumed that the Co t 2g orbit of this system is almost filled with electrons. In order to know the electronic state in the vicinity of the Fermi level, we tried two types of plots, Arrhenius type and variable range hopping type, as shown in the inset. The results showed that the latter was linear. From this, it is expected that the Fermi level has a small but finite density of states, and a small amount of carriers are localized at low temperatures. It is presumed that carriers were generated by a slight shift in the phase ratio. Presumably, the Fermi level is slightly crossing near the top of the Co t 2g band. Thus, in essence, the electronic structure of the system should be considered metallic.
The temperature dependence near room temperature is rather close to the thermal activation type. At high temperatures (near room temperature), localized carriers are released from potential constraints, and a change in the conduction mechanism appears. At present, it cannot be determined what causes the thermally activated conduction mechanism. Possible possibilities include carrier excitation to the mobility edge, polaron, and grain boundary scattering.

熱電能(ゼーベック係数)
図6(測定データ:表7)にゼーベック係数の温度依存性を示す。
図6は、大局的には金属的な温度依存性(S∝T)をしている。(バンドギャップ半導体では、S∝1/T。)挿入図は、バリアブル・レンジ・ホッピング状態の熱起電力は、S∝T1/2(3次元的)、S∝T1/3(2次元的)であることを利用して、伝導の次元性を判別しようとしたものであるが、実際には2次元と3次元の中間的な温度変化を示した。少なくとも、1次元的でないことは確かである。これは、結晶構造から得られた知見と整合する。
ゼーベック係数は総じて通常の物質より大きく、層状コバルト酸化物(例えば、CaCo(非特許文献2); BiSrCo(非特許文献3))に相当する。380 Kにおける値は、S=+147 μV/Kである。
室温付近(以上)での温度依存性はかなり特徴的である。通常の層状コバルト酸化物のSは、この温度領域で飽和する傾向にあるが、この系(CaCo)では、殆ど飽和せずに温度上昇と共に増加し続ける。(残念ながら測定装置のスペックの問題でこれ以上の高温領域では測定できなかった。)より高温側ではさらに大きなSと小さなρが期待できるので、高温領域で使う熱電材料としてはたいへん都合がよい。
負号が正であることから、主にp型キャリア(ホール)が存在することが分かる。温度上昇と共にゼーベック係数が増加する傾向は、本系の電子構造が金属的であることを意味しており、電気抵抗の結果と整合する。特に、低温ではバリアブルレンジホッピング伝導が支配的であると考えられるので、挿入図のように対数プロットによって、伝導の次元性を判別した。結果は、本系は3次元、もしくは2次元的な伝導機状態にあることを示唆している。(少なくとも1次元的ではないのは確実。)これは構造からも予想されたように、二重鎖間の電荷移動が存在するという解釈ができる。
Thermoelectric power (Seebeck coefficient)
FIG. 6 (measurement data: Table 7) shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient.
FIG. 6 generally has a metallic temperature dependence (S) T). (In the band gap semiconductor, S 半導体 1 / T.) The inset shows the thermoelectromotive force in the variable range hopping state: S∝T 1/2 (three-dimensional), S∝T 1/3 (two-dimensional However, in practice, it showed an intermediate temperature change between 2D and 3D. Certainly not at least one-dimensional. This is consistent with the knowledge obtained from the crystal structure.
The Seebeck coefficient is generally larger than that of a normal substance, and corresponds to a layered cobalt oxide (for example, Ca 3 Co 4 O 9 (Non-patent Document 2); Bi 2 Sr 2 Co 2 O 9 (Non-Patent Document 3)). The value at 380 K is S = + 147 μV / K.
The temperature dependence near (above) room temperature is quite characteristic. S in ordinary layered cobalt oxide tends to saturate in this temperature range, but in this system (CaCo 2 O 4 ), it hardly saturates and continues to increase as the temperature rises. (Unfortunately, it could not be measured in the higher temperature range due to the problem of the specs of the measuring device.) Since higher S and smaller ρ can be expected on the higher temperature side, it is very convenient as a thermoelectric material used in the high temperature range.
Since the negative sign is positive, it can be seen that there are mainly p-type carriers (holes). The tendency for the Seebeck coefficient to increase with increasing temperature means that the electronic structure of the system is metallic, consistent with the electrical resistance results. In particular, since variable range hopping conduction is considered to be dominant at low temperatures, the dimensionality of conduction was determined by a logarithmic plot as shown in the inset. The results suggest that the system is in a three-dimensional or two-dimensional conductor state. (It is certain that it is not at least one-dimensional.) This can be interpreted as there being charge transfer between the double strands, as expected from the structure.

温度を上げたとき、100 K付近で一旦ゼーベック係数の増加が鈍る。これは、この温度付近で電荷局在が解放され始めることを示唆している。通常、ゼーベック係数は、フェルミエネルギーにおける対数伝導度のエネルギー微分で表現されるので、ゼーベック係数の温度曲率の変化は、電子構造が著しく変化を受けることを示唆している。
CaCoのゼーベック係数Sの絶対値は、380 Kのとき約147 μV/Kであり、明らかに通常の金属のそれより大きく、近年、熱電材料として期待されている層状コバルト酸化物の値に匹敵するかそれ以上である。これは、CaCoが熱電材料としての潜在能力を持っていることを示唆している。この大きな熱電能の発生原因は、スピンの残留エントロピーに起因すると考えられる。非特許文献4によって与えられた理論式を用いた場合、この系の高温極限での熱電能は、S=344 μV/Kと見積もることができる。実測のS(=147 μV/K)は、温度が380 Kの時の値であり、高温極限の理論値と比較するのは困難であるが、図6に示すように、400 K付近においてもSの飽和傾向が見られないことから、十分な高温では理論値に到達する可能性がある。ちなみに、CaCoのようにSが飽和しない(観測されない)物質は比較的、稀である。(通常の層状コバルト酸化物のSは室温付近以上で飽和傾向がある。)これはCaCoの最大の特徴のひとつであり、高温領域での応用という観点からは重要な要素である。相転移によって解放されないために室温付近において残った大きな残留エントロピーに対し、電子相関によって電荷が張り付くことで大きな熱電能が発生すると考えられる。CaCoのような二重鎖構造は、その舞台として都合の良いものなのかもしれない。
When the temperature is raised, the increase in Seebeck coefficient once slows around 100K. This suggests that charge localization begins to be released near this temperature. Since the Seebeck coefficient is usually expressed by the energy derivative of logarithmic conductivity at Fermi energy, changes in the temperature curvature of the Seebeck coefficient suggest that the electronic structure undergoes significant changes.
The absolute value of the Seebeck coefficient S of CaCo 2 O 4 is about 147 μV / K at 380 K, which is clearly larger than that of ordinary metals, and is the value of the layered cobalt oxide expected as a thermoelectric material in recent years. Equal to or more than This suggests that CaCo 2 O 4 has the potential as a thermoelectric material. The cause of this large thermoelectric power generation is thought to be due to the residual entropy of spin. When the theoretical formula given by Non-Patent Document 4 is used, the thermoelectric power at the high temperature limit of this system can be estimated as S = 344 μV / K. The actually measured S (= 147 μV / K) is a value when the temperature is 380 K, and it is difficult to compare with the theoretical value of the high temperature limit, but as shown in FIG. Since the saturation tendency of S is not observed, the theoretical value may be reached at a sufficiently high temperature. Incidentally, a substance such as CaCo 2 O 4 in which S is not saturated (not observed) is relatively rare. (S in ordinary layered cobalt oxide tends to saturate near room temperature or higher.) This is one of the greatest features of CaCo 2 O 4 and is an important factor from the viewpoint of application in a high temperature region. It is considered that a large thermoelectric power is generated by sticking electric charges to the large residual entropy remaining near room temperature because it is not released by the phase transition due to electron correlation. A double chain structure such as CaCo 2 O 4 may be convenient for the stage.

比熱
図7(測定データ:表8)にCaCoの比熱の温度変化を示す。
一般物質では、比熱は電子比熱と格子比熱から構成され、C/T=γ+ATで表現される。このとき、図7のようにC/TをTに対してプロットし直線部を外挿すると、T=0軸との交点から電子比熱係数γが求められる。また。係数A=(12π/5)rN(1/θ )であるので、直線の傾き(A)からデバイ温度(θ)が求まる。求まった電子比熱係数は、γ=4.48(7) mJ/mol Kであり、有限である。電気抵抗データでも示唆されたように、本系の電子状態は通常のバンドギャップ型半導体ではなく、むしろ、金属に近いもの(フェルミレベルで有限の状態密度N(0)が存在する)と考えられる。ただしγの値は、他の金属的な伝導を示す遷移金属酸化物に較べて1桁程度小さいことから、N(0)は小さいと推測される。フェルミレベルは、恐らくCo t2g軌道を主とするバンドの上端付近を僅かに横切っていると推測される。
低温での実測値は直線を外れ、温度下降に伴い増加する。挿入図のように、これはショットキー型比熱で説明できる。ショットキー型比熱は常磁性体でしばしば見られる減少で、孤立スピンに起因した離散準位がフェルミレベル近傍に存在することを意味する。この結果は、局在準位が存在するという推測と整合する。
Specific Heat FIG. 7 (measurement data: Table 8) shows the temperature change of the specific heat of CaCo 2 O 4 .
In a general substance, specific heat is composed of electron specific heat and lattice specific heat, and is expressed by C / T = γ + AT 2 . At this time, the extrapolation of the linear portion was plotted against the C / T T 2, the electronic specific heat coefficient from the intersection of the T = 0 axis γ is determined as shown in Figure 7. Also. Since the coefficient A = a (12π 4/5) rN A k B (1 / θ D 3), Debye temperature from the slope of the straight line (A) (θ D) is obtained. The obtained electron specific heat coefficient is γ = 4.48 (7) mJ / mol K 2 and is finite. As suggested by the electrical resistance data, the electronic state of this system is not a normal bandgap semiconductor, but rather a metal-like one (there is a finite density of states N (0) at Fermi level). . However, since the value of γ is about an order of magnitude smaller than other transition metal oxides that exhibit metallic conduction, N (0) is estimated to be small. The Fermi level is presumed to have crossed slightly near the upper end of the band, presumably with a Co t 2g orbit.
The measured value at low temperature is off the straight line and increases with decreasing temperature. As shown in the inset, this can be explained by Schottky specific heat. Schottky specific heat is a decrease often seen in paramagnetic materials, and means that discrete levels due to isolated spins exist near the Fermi level. This result is consistent with the assumption that a localized level exists.

図7のように温度の2乗(T)に対して比熱を温度で割った値(C/T)をプロットしたとき、直線の外挿線と縦軸との交点が、電子比熱係数gを与える。また、直線の傾きから、デバイ温度(θ)を求めることができる。γはフェルミレベルでの電子状態密度に比例する。得られたγとθの値は、γ=4.48(7) mJ/Co−mol K、θ=621(1) Kである。γの値は金属的な導電性を示す酸化物に較べ約1程度小さいものの、ゼロではない。有限のg値が観測されることから、この系のフェルミレベルでの電子状態密度は有限に存在すること、即ち金属的な状態にあることが分かる。これらは電気抵抗やゼーベック係数の測定結果と整合するものである。 When plotting the value (C p / T) obtained by dividing the specific heat by temperature against the square of temperature (T 2 ) as shown in FIG. 7, the intersection of the extrapolated line and the vertical axis is the electronic specific heat coefficient. Give g. Further, the Debye temperature (θ D ) can be obtained from the slope of the straight line. γ is proportional to the density of electronic states at the Fermi level. The values of γ and θ D obtained are γ = 4.48 (7) mJ / Co-mol K 2 and θ D = 621 (1) K. Although the value of γ is about 1 smaller than an oxide showing metallic conductivity, it is not zero. Since a finite g value is observed, it can be seen that the density of electronic states at the Fermi level of this system exists finitely, that is, in a metallic state. These are consistent with the measurement results of electrical resistance and Seebeck coefficient.

6 K以下の低温で、比熱は温度減少に伴い増加する。これはショットキー異常の効果として理解できる。図7挿入図には、ショットキー比熱の補正を取り入れた式を用いてデータ解析した比熱の温度依存性を示してある。解析曲線と実測データとのよいフィットは、ショットキー比熱がこの系に関与していることを示唆している。ショットキー比熱の原因となるのは、この系の場合、孤立スピンかあるいは孤立局在したホールのスピンに起因した準位の分裂である。これは磁化率や電気抵抗の測定結果と整合するものである。     At low temperatures below 6K, the specific heat increases with decreasing temperature. This can be understood as an effect of a Schottky abnormality. The inset of FIG. 7 shows the temperature dependence of the specific heat obtained by data analysis using an equation incorporating Schottky specific heat correction. The good fit between the analytical curve and the measured data suggests that Schottky specific heat is involved in this system. In this system, Schottky specific heat is caused by splitting of levels caused by isolated spins or spins of isolated localized holes. This is consistent with the measurement results of magnetic susceptibility and electrical resistance.

図8は、高温高圧下合成後に得られたペレットから、その破片の一部を成形して得られたCaCo多結晶試料を示す。
白金カプセルから取り出した直後の試料塊は、直径約6 mm、高さ約3−4 mm程度のペレット上である。写真の試料は、ペレットの一部を切り出して矩形に成形したものである。電気伝導性酸化物に特有の黒色をしている。
FIG. 8 shows a CaCo 2 O 4 polycrystalline sample obtained by molding a part of the fragments from pellets obtained after synthesis under high temperature and high pressure.
The sample mass immediately after taking out from the platinum capsule is on a pellet having a diameter of about 6 mm and a height of about 3-4 mm. The sample in the photograph is a part of the pellet cut out and formed into a rectangle. The black color peculiar to electroconductive oxide.

<熱電能の改善方法について>
先にも述べたように、熱電性能を表すには、性能指数Z=S/ρκ、または、S/ρが用いられる。今回、κは測定されていない(通常は測定が難しい)のでS/ρを指標とする。代表的な層状コバルト酸化物NaCoに較べ、今回のCaCoのS(ゼーベック係数)は約1.5培(Sは約2倍)であるが、ρ(電気抵抗率)は約2−3桁高い。
結果的にS/ρは2−3桁程度低くなってしまい、このままでは熱電材料としては利用できない。Sは優っているので、ρを如何に下げるかが改善のポイントとなる。(注:NaCoとCaCoの組成比は似通っているが、結晶構造が異なる全く別の相である。前者は、非特許文献1ではNaCoの表記が用いられていたが、最近はNa0.7Coの方が、通常、用いられることが多い。)
<How to improve thermoelectric power>
As described above, the performance index Z = S 2 / ρκ or S 2 / ρ is used to represent the thermoelectric performance. This time, κ is not measured (usually difficult to measure), so S 2 / ρ is used as an index. Compared to typical layered cobalt oxide NaCo 2 O 4, S (Seebeck coefficient) of this CaCo 2 O 4 is about 1.5 culture (S 2 are approximately 2-fold) is, [rho (electric resistivity) Is about 2-3 orders of magnitude higher.
As a result, S 2 / ρ becomes about 2-3 orders of magnitude lower, and cannot be used as a thermoelectric material as it is. Since S is superior, how to lower ρ is the point of improvement. (Note:. NaCo 2 O 4 and CaCo 2 is O composition ratio of 4 are similar, crystal structure is different from a completely different phase former, have notation in Non-Patent Document 1, NaCo 2 O 4 is used However, recently, Na 0.7 Co 2 O 4 is usually used more often.)

改善策1:単結晶化
今回測定に用いた試料は多結晶体(セラミクス)試料である。多結晶試料は、多数の細かい(通常数ミクロン程度の大きさ)の単結晶グレインが集合して焼き固められたものである。このため、電気伝導においてはグレイン境界での散乱が大きくなり、電気抵抗率の絶対値は大きくなる。単結晶を用いればグレイン散乱は無くなるので、電気抵抗率は大幅に(恐らく桁違いに)減少する。実際に、非特許文献1におけるNaCoの小さい電気抵抗率は単結晶を用いて得られた値である。これに対し、非特許文献2におけるCaCoの電気抵抗率は多結晶試料の場合の値であり、今回のCaCo多結晶試料との比較が可能である。
Improvement measure 1: Single crystallization The sample used in this measurement is a polycrystalline (ceramics) sample. A polycrystalline sample is a product in which a large number of fine (usually several microns in size) single crystal grains are gathered and baked. For this reason, in electrical conduction, scattering at the grain boundary increases, and the absolute value of electrical resistivity increases. Using a single crystal eliminates grain scattering, so the electrical resistivity decreases significantly (perhaps by orders of magnitude). Actually, the small electrical resistivity of NaCo 2 O 4 in Non-Patent Document 1 is a value obtained using a single crystal. On the other hand, the electrical resistivity of Ca 3 Co 4 O 9 in Non-Patent Document 2 is a value in the case of a polycrystalline sample, and can be compared with the current CaCo 2 O 4 polycrystalline sample.

両者は、1桁程度の抵抗率の差しか見られない。(CaCoの抵抗率はCaCoの抵抗率より1桁大きい)(NaCoとCaCoは共に層状コバルト酸化物であり、類似の結晶構造を持つ。)1桁程度の抵抗率の差は改善策2によって修正可能な範疇である。特に、CaCoは、結晶構造から推測できるように伝導の異方性(1次元系ほど強いというわけではない)があるはずなので、b軸方向の電気抵抗率は他の方向のそれに較べて桁違いに小さいはずである。適切な方向で単結晶物質を使用すれば大きな熱電性能の改善が期待できる。 Both show only a difference of resistivity of about one digit. (The resistivity of CaCo 2 O 4 is an order of magnitude higher than that of Ca 3 Co 4 O 9 ) (NaCo 2 O 4 and Ca 3 Co 4 O 9 are both layered cobalt oxides and have similar crystal structures. .) A difference in resistivity of about an order of magnitude is a category that can be corrected by improvement measure 2. In particular, since CaCo 2 O 4 should have conductivity anisotropy (not as strong as a one-dimensional system) as can be inferred from the crystal structure, the electrical resistivity in the b-axis direction is higher than that in other directions. Should be orders of magnitude smaller. If a single crystal material is used in an appropriate direction, a great improvement in thermoelectric performance can be expected.

改善策2:キャリアドープ
CaCoにおける高い熱起電力の発生原因は、コバルト原子のt2g電子軌道の縮体と電子相関とにあることが推測される。いずれにしても、CoO八面体が構成する二重鎖のネットワークが構造的に重要であることは間違いない。この構造部分を保持したままキャリア(ホール)を注入すれば、高い熱起電力をほぼ維持したままで電気抵抗が下がることが予想できる。具体的には、Ca2+イオンをNaやK, Rbなどの1価のアルカリ金属で部分置換(恐らく、10%前後)すればホールが注入され、抵抗は1−2桁程度下がることが期待される。このとき、熱起電力も少し下がる可能性はあるが、Co t2g軌道の縮体とそれによる残留エントロピーは保持されるので、僅かな下がりに抑えられると予想される。
Improvement Measure 2: Carrier Doped CaCo 2 O 4 is presumed to be caused by a high thermal electromotive force due to the degeneration of the t 2g electron orbit of the cobalt atom and the electron correlation. In any case, there is no doubt that the double-stranded network formed by the CoO 6 octahedron is structurally important. If carriers (holes) are injected while holding this structural portion, it can be expected that the electrical resistance will decrease while maintaining a high thermoelectromotive force. Specifically, if Ca 2+ ions are partially replaced with monovalent alkali metals such as Na + , K + , and Rb + (probably around 10%), holes are injected and the resistance decreases by about 1-2 digits. There is expected. At this time, there is a possibility that the thermoelectromotive force is also lowered slightly, but since the contraction of the Co t 2g orbit and the residual entropy caused thereby are maintained, it is expected that the thermoelectromotive force is suppressed to a slight decrease.

合成の観点からは、CaサイトのNa, K, Rb置換は十分可能であると推測できる。Naのイオン半径はCaのそれに近く、固溶されやすい。KやRbのイオン半径はやや大きめであるが、基本的に高圧条件下では大きいイオンはたくさん縮むので、高圧合成には都合がよい。結果的にK, Rbなども固溶されやすいと推測される。同一構造(CaFe型構造)でNaTiという物質も存在するので、Na置換は結晶学的にも不自然ではなく、むしろ有望である。(注:現在までに多くのCaFe型構造物質が知られている。AB (A=Li, Na, Mg, Ca, Sr, Ba, La, and Eu; B= Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Rh, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, and Lu)。B=Coは今回が初めて。) From the viewpoint of synthesis, it can be assumed that Na, K, Rb substitution at the Ca site is sufficiently possible. The ionic radius of Na is close to that of Ca and is easily dissolved. Although the ionic radius of K and Rb is slightly larger, basically, large ions shrink a lot under high pressure conditions, which is convenient for high pressure synthesis. As a result, it is estimated that K, Rb, etc. are easily dissolved. Since the same structure (CaFe 2 O 4 -type structure) in Nati 2 O 4 that substance is also present, Na substitution is not unnatural even crystallographically, but rather promising. (Note: Many CaFe 2 O 4 type structural materials are known to date. AB 2 O 4 (A = Li, Na, Mg, Ca, Sr, Ba, La, and Eu; B = Ti, V , Cr, Mn, Fe, Ru, Rh, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, and Lu) B = Co. This is the first time.)

改善策1および2によって電気抵抗率の2−3桁の改善が予想され、NaCoと同程度(あるいはそれ以上)のS/ρになることが期待できる。しかも、ゼーベック係数Sの温度依存性の測定データで見られたように、380 Kを超えてもまだまだSは増加傾向にあるように見える。(通常の層状コバルト酸化物では、Sは室温付近より高温では飽和する傾向にある。)より高い温度領域で、もしこの増加が続けば高温領域においては従来の層状コバルト酸化物の熱電性能を凌駕することが期待できる。本系の二重鎖ネットワーク構造は、高温領域において高い熱起電力を発生するのに都合の良い構造なのかもしれない。今回の測定データはそれを示唆するに足りるデータであり、そのような観点は恐らく今回の我々が初めてであろう。 Improvement measures 1 and 2 are expected to improve the electrical resistivity by 2-3 orders of magnitude, and can be expected to be about the same (or more) S 2 / ρ as NaCo 2 O 4 . Moreover, as seen in the measurement data of the temperature dependence of the Seebeck coefficient S, it seems that S is still increasing even if it exceeds 380 K. (In ordinary layered cobalt oxides, S tends to saturate at higher temperatures near room temperature.) If this increase continues, the thermoelectric performance of conventional layered cobalt oxides surpasses that of conventional layered cobalt oxides. Can be expected to do. The double-stranded network structure of this system may be a convenient structure for generating a high thermoelectromotive force in a high temperature region. This measurement data is sufficient to suggest that, and this is probably the first time for us.

前述のように、現在までに多くのCaFe型構造物質が報告されているが、ゼーベック係数を報告しているものは非常に少なく、今回の比較対象とならなかった。従来はそのような観点が少なかったこと、ゼーベック係数を簡単に測定できなかったことなどが理由として考えられる。
現在では、NaRhなどの物質でSが報告されているが、Sの値は小さい。
(K. Yamaura, Q. Qingzhen Huang, M. Moldovan, D. P. Young, A. Sato, Y. Baba, T. Nagai, Y. Matsui, and E. Takayama−Muromachi, Chem. Mater. 17 (2005) 359.)
As described above, many CaFe 2 O 4 type structural materials have been reported so far, but very few have reported the Seebeck coefficient and have not been the subject of comparison this time. The reason is considered that there were few such viewpoints in the past and the Seebeck coefficient could not be easily measured.
At present, S is reported in substances such as NaRh 2 O 4 , but the value of S is small.
(K. Yamaura, Q. Qingzhen Huang, M. Moldovan, D. P. Young, A. Sato, Y. Baba, T. Nagai, Y. Matsui, and E. TakamaM. 359.)

熱電材料は、コンプレッサーなどを使わない、いわゆる電子的な変換機構を有するため、無騒音かつ超小型化が可能となる利点がある。
近年、コンピュータの CPU (中央演算素子)や赤外線検出器の冷却用としてペルチェ素子の需要が高まっている。今後、CPU の演算処理速度の上昇にともない発熱量も大きくなるため、新熱電材料の開発も含めた高性能の熱電素子の開発は急務であると考えられる。さらに、高い熱電効率を持つ電子材料の開発は、コンプレッサー不要の高効率熱電冷却冷蔵庫の実現、熱電変換による自動車の排気ガスやエンジンの廃熱、あるいはプラントから発生する廃熱からの電力への変換等、新たな応用の可能性を広げ、熱電技術全体の発展に多大な寄与をもたらすと考えられる。
また、熱電材料を用いたエネルギー変換は環境に優しいということがあげられる。冷蔵庫やクーラーなどでは、環境負荷の高いフロンをもちいて冷却を行っている。熱電材料を使えば当然、フロンレスの冷却機が実現できる。
このように、熱電変換材料は 21 世紀のエネルギー・環境問題を考える上でもきわめて重要と思われる。
The thermoelectric material has a so-called electronic conversion mechanism that does not use a compressor or the like, and thus has an advantage of being noiseless and capable of being miniaturized.
In recent years, the demand for Peltier elements for cooling CPUs (central processing elements) and infrared detectors of computers has increased. In the future, the amount of heat generated will increase as the CPU processing speed increases, so the development of high-performance thermoelectric elements, including the development of new thermoelectric materials, is considered urgent. Furthermore, the development of electronic materials with high thermoelectric efficiency includes the realization of high-efficiency thermoelectric cooling refrigerators that do not require a compressor, conversion of automobile exhaust gas and engine waste heat by thermoelectric conversion, or waste heat generated from plants into electric power. The possibility of new applications will be expanded, and it will be a great contribution to the development of the entire thermoelectric technology.
In addition, energy conversion using thermoelectric materials is environmentally friendly. Refrigerators, coolers, etc. are cooled using chlorofluorocarbon, which has a high environmental impact. Naturally, if a thermoelectric material is used, a CFC-free cooler can be realized.
Thus, thermoelectric conversion materials are considered to be extremely important in considering energy and environmental problems in the 21st century.

CaCoの粉末X線パターン(リートベルド解析パターン)CaCo 2 O 4 powder X-ray pattern (Rietveld analysis pattern) CaCoの結晶構造を示す模式図。Schematic view showing the crystal structure of CaCo 2 O 4. CoO八面体の二重鎖ネットワークを示す模式図。直線で囲まれた領域は、単位胞(斜方晶系)を示す。The schematic diagram which shows the double chain network of CoO 6 octahedron. A region surrounded by a straight line indicates a unit cell (orthorhombic system). CaCoにおける、磁化率(χ)の温度依存性。FC:磁場中冷却下での測定データ。ZFC:無磁場冷却後、磁場中昇温での測定データ。実線は、キュリーワイス近似曲線;χ=χ+C/(T-θ): χ=2.2(1)×10−4 emu/Co−mol, C=0.0471(6) emuK/Co−mol, and θ=−1.3(1) K。Temperature dependence of magnetic susceptibility (χ) in CaCo 2 O 4 . FC: Measurement data under cooling in a magnetic field. ZFC: Measurement data obtained by heating in a magnetic field after cooling without a magnetic field. The solid line is the Curie-Weiss approximate curve; χ = χ 0 + C / (T−θ W ): χ 0 = 2.2 (1) × 10 −4 emu / Co-mol, C = 0.0471 (6) emuK / Co-mol, and θ W = −1.3 (1) K. CaCo多結晶における、電気抵抗率(r)の温度依存性。挿入図は、アーレニウスプロット(lnρ vs. 1/T)および、モットのバリアブル・レンジ・ホッピング・プロット(lnρ vs. 1/T0.25)を示す。Temperature dependence of electrical resistivity (r) in CaCo 2 O 4 polycrystal. The inset shows the Arrhenius plot (lnρ vs. 1 / T) and the Mott variable range hopping plot (lnρ vs. 1 / T 0.25 ). CaCoにおける、熱電能(ゼーベック係数:S)の温度依存性。挿入図は、両対数プロット(lnS vs. lnT)を示す。Temperature dependence of thermoelectric power (Seebeck coefficient: S) in CaCo 2 O 4 . The inset shows a log-log plot (lnS vs. lnT). CaCoにおける、定圧比熱(C)の温度依存性(C/T vs. T)。外挿線と縦軸との交点から、電子比熱係数gは、4.48(7) mJ/mol Kと求められる。挿入図は、ショットキー型比熱近似による解析結果。Temperature dependence (C p / T vs. T 2 ) of constant pressure specific heat (C p ) in CaCo 2 O 4 . From the intersection of the extrapolated line and the vertical axis, the electronic specific heat coefficient g is obtained as 4.48 (7) mJ / mol K 2 . The inset shows the results of analysis by Schottky specific heat approximation. CaCo多結晶試料の写真。高温高圧下合成後に得られたペレットから、その破片の一部を成形して得られたもの。A photograph of a CaCo 2 O 4 polycrystalline sample. What was obtained by molding a part of the fragments from pellets obtained after synthesis under high temperature and pressure.

Claims (1)

コバルト酸化物よりなる熱電変換材料であって、CaFe(カルシウム・フェライト)型構造を有し、そのFeがCoに置換されてなることを特徴とする熱電変換材料。 A thermoelectric conversion material comprising a cobalt oxide, having a CaFe 2 O 4 (calcium / ferrite) structure, wherein Fe is substituted with Co.
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