JP5168726B2 - 熱電材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、非特許文献1に記載されているように、酸化物における導電率と熱伝導率は、その結晶異方性がキャリア特性に大きく依存することが知られており、いかに結晶異方性をバルク形状においても制御できるかが、酸化物熱電変換素子の特性向上に大きく影響する要因となる。
本発明の熱電材料は、ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を原料として用いて作製される。ここで、本発明における層状水酸化亜鉛塩とは、主成分として結晶層中にZn2+を含むブルーサイト構造を基本構造とする層状金属水酸化物塩である。このようなブルーサイト構造を基本構造とする層状金属水酸化物塩は、結晶層中に含まれる金属イオンの種類や数により、層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide)、層状金属水酸化物(Layered Metal Hydroxide、)、もしくは複水酸化物塩(Hydroxy Double salt)とも呼ばれる。
f = ( P − P 0 ) / ( 1 − P 0 )
ここで、P はP = Σ I ( 0 0 l ) / Σ I ( h k l ) で表され、配向試料から得られたピーク強度である。P 0 はP 0 = Σ I 0 ( 0 0 l ) / Σ I 0 ( h k l ) で表され、無配向試料から得られるピーク強度である。本発明における熱電材料のc軸配向度fは、0.5以上1.0未満であり、高いc軸配向性を示す。
ドーパントを含む層状水酸化亜鉛塩の作製
ドーパントを含む層状水酸化亜鉛塩は、以下の手順により合成した。
酢酸亜鉛(和光純薬製)0.098molと、ドーパントとなるAl3+イオン源である酢酸アルミニウムn水和物(和光純薬製)0.002molを蒸留水1000mlに溶解させ、室温で約1時間攪拌した。作製した金属塩水溶液に、0.1M 水酸化ナトリウム水溶液1000mlを室温で攪拌しながら1時間かけて滴下し、その後約20時間攪拌を行った。攪拌終了後、遠心分離することで白色ゲルを回収し、蒸留水による洗浄処理と遠心分離を、上澄みのpHが7程度になるまで繰り返すことで白色ゲルを得た。さらに、得られた白色ゲルを吸引ろ過して、100mlのエタノールで洗浄後、60℃で2時間乾燥することで、白色の薄板状体を得た。
次に、上記で得られた薄板状体を700℃で5時間焼成し、乳鉢で解砕することで得られた白色粉末のXRDパターンを測定した結果、c軸に配向したウルツ鉱型ZnOであることが分かった。そして、このc軸配向したZnO白色粉末を、一軸プレス成型機でプレス処理し、さらに静水圧プレス(CIP)処理することにより、直径約25mmで厚み約7mmの円盤状ペレットを作製した。
上記のように作製したc軸配向性のZnO―Al2%焼結体を、c軸に垂直な方向に長手方向がくるようにダイヤモンドカッターで5mm×5mm×15mmのサイズに切出し、全ての表面をサンドペーパーで研磨することにより、熱電物性測定サンプルを作製した。
導電率は、全温度域で100S/cm以上であり、さらに温度上昇と共に導電率がわずかに低下する傾向があり、ZnO―Al2%焼結体は金属的な電子伝導を示すことから、Al3+がドーパントとしてZnO結晶中に固溶していることを示している。またゼーベック係数および出力因子ともに高い値を示した。
硝酸亜鉛六水和物(和光純薬製)0.095molと硝酸アルミニウム九水和物 0.005molを用いて作製したAl3+を含む層状水酸化亜鉛硝酸塩を原料に用いた以外は、実施例1と同様の手順で、ZnO−Al5%焼結体を作製した。層状水酸化亜鉛硝酸塩の薄板状体およびZnO−Al5%焼結体のLotgering法によるc軸配向度は、ともに0.87であった。
Claims (7)
- ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を加熱してなる、結晶配向性を有する熱電材料であって、前記金属元素は、前記層状水酸化亜鉛塩のZn 2+ サイトに置換固溶または格子間に侵入固溶していることを特徴とする、熱電材料。
- 前記金属元素がAlである、請求項1に記載の熱電材料。
- 前記層状水酸化亜鉛塩の層間には、有機アニオンが含まれていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の熱電材料。
- 前記熱電材料はc軸方向に結晶配向してなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電材料。
- 前記金属元素は、亜鉛に対するモル比率が0.001以上0.2以下である、請求項1又は4に記載の熱電材料。
- ドーパントとなる金属元素を含む層状水酸化亜鉛塩の板状粒子を加熱する工程を含んでなる、結晶配向性を有する熱電材料の製造方法であって、前記金属元素は、前記層状水酸化亜鉛塩のZn 2+ サイトに置換固溶または格子間に侵入固溶していることを特徴とする、熱電材料の製造方法。
- 前記板状粒子を成型する工程と、1000℃以上1500℃以下で加熱する工程と、を含んでなる、請求項6に記載の製造方法。
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