JP5516042B2 - Clathrate compound, thermoelectric conversion material, and production method thereof - Google Patents
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本発明は、クラスレート化合物、熱電変換材料、およびそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a clathrate compound, a thermoelectric conversion material, and a production method thereof.
従来より、熱電変換素子は、ゼーベック効果による発電機能とその逆のペルチェ効果による熱電冷却機能とを有している。発電機能は熱電変換素子の両端に温度差を生じさせることで得られ、冷却機能は熱電変換素子に通電することで得られる。熱電変換素子の構造は、例えば2枚の電極プレート間にP型の熱電変換材料とN型の熱電変換材料とが交互に直列接続されたものになっている。 Conventionally, thermoelectric conversion elements have a power generation function based on the Seebeck effect and a thermoelectric cooling function based on the opposite Peltier effect. The power generation function is obtained by causing a temperature difference between both ends of the thermoelectric conversion element, and the cooling function is obtained by energizing the thermoelectric conversion element. The thermoelectric conversion element has a structure in which, for example, a P-type thermoelectric conversion material and an N-type thermoelectric conversion material are alternately connected in series between two electrode plates.
このような熱電変換素子において、素子としての性能は熱電変換の性能指数Zとして求めることができる。熱電変換の性能指数Zは、Z=S2σ/κで表わされる。Sは熱電変換材料のゼーベック係数、σは熱電変換材料の電気伝導率、κは熱電変換材料の熱伝導率である。 In such a thermoelectric conversion element, the performance as the element can be obtained as a figure of merit Z of thermoelectric conversion. The figure of merit Z of thermoelectric conversion is represented by Z = S 2 σ / κ. S is the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, σ is the electrical conductivity of the thermoelectric conversion material, and κ is the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material.
上述した熱電変換材料の一つとして、例えば特許文献1にあるようにクラスレート化合物が提案されている。このクラスレート化合物の中で、Ba8(Ga,Sn)46クラスレートは特に低温領域での性能が高く(非特許文献1参照)、室温から400℃付近の用途に期待される熱電変換材料である。 As one of the thermoelectric conversion materials described above, for example, a clathrate compound has been proposed as disclosed in Patent Document 1. Among these clathrate compounds, Ba 8 (Ga, Sn) 46 clathrate has a particularly high performance in a low temperature region (see Non-Patent Document 1), and is a thermoelectric conversion material expected for applications from room temperature to around 400 ° C. is there.
しかしながら、上記のBa8Ga16Sn30熱電変換材料は低温領域で比較的高い性能指数(ZT)を示すものの、その実用化の目安とされるZT=1.0には及ばず、更なる性能指数(ZT)の向上が望まれる。更に、Ba8Ga16Sn30熱電変換材料の構成元素であるGaはBaやSnに比べてコストが高く、実用化を想定した場合にはGaより安価な元素へ変更することが望ましい。また、Gaは質量が大きいので、例えば本材料を自動車の排気ガスからの排熱発電に用いた場合には材料の重さが燃費の低下を招く。このため、軽い元素を用いた熱電変換材料が望まれる。 However, although the above Ba 8 Ga 16 Sn 30 thermoelectric conversion material exhibits a relatively high figure of merit (ZT) in a low temperature region, it does not reach ZT = 1.0, which is a standard for practical use, and further performance Improvement of the index (ZT) is desired. Furthermore, Ga, which is a constituent element of the Ba 8 Ga 16 Sn 30 thermoelectric conversion material, is higher in cost than Ba and Sn, and it is desirable to change to an element cheaper than Ga when practical use is assumed. Further, since Ga has a large mass, for example, when this material is used for exhaust heat power generation from automobile exhaust gas, the weight of the material causes a reduction in fuel consumption. For this reason, the thermoelectric conversion material using a light element is desired.
本発明は上記点に鑑み、Ba8Ga16Sn30熱電変換材料に比べて高い性能指数(ZT)を示し、安価で軽いクラスレート化合物、熱電変換材料、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a high figure of merit (ZT) as compared with Ba 8 Ga 16 Sn 30 thermoelectric conversion materials, and provides inexpensive and light clathrate compounds, thermoelectric conversion materials, and methods for producing them. Objective.
上記目的を達成するため、発明者らは、Ba8Ga16Sn30熱電変換材料のGaの一部をGaより軽くて安価なAlで置換したBa8Ga16−xAlxSn30というこれまでに合成例のない新規クラスレート材料を開発した。また、Gaの一部をAlで置換したBa8Ga16−xAlxSn30熱電変換材料は、Ba8Ga16Sn30熱電変換材料に比べ高い性能指数(ZT)を示すことがわかった。
In order to achieve the above-mentioned object, the inventors of the present invention, Ba 8 Ga 16-x Al x Sn 30 , in which part of Ga 8 Ga 16 Sn 30 thermoelectric conversion material is replaced with Al that is lighter and cheaper than Ga. Has developed a new clathrate material with no synthesis example. Moreover, Ba 8 Ga 16-x Al
そこで、請求項1に記載の発明では、組成式がBa8(Gax,Sny,Alz)46(但し、x+y+z=1,0<x≦1,0≦y≦1,0<z≦1)で表されることを特徴としている。 Therefore, in the invention according to claim 1, composition formula Ba 8 (Ga x, Sn y , Al z) 46 ( where, x + y + z = 1 , 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1,0 <z ≦ It is characterized by being represented by 1).
このように、従来のBa8Ga16Sn30クラスレート化合物に対してAlを含んだ構造としたことにより、従来のBa8Ga16Sn30クラスレート化合物に比べ、大きな性能指数(ZT)を得ることができる(図1参照)。また、Alが含まれたことにより、安価で軽いクラスレート化合物を得ることができる。 As described above, the structure containing Al with respect to the conventional Ba 8 Ga 16 Sn 30 clathrate compound provides a large figure of merit (ZT) as compared with the conventional Ba 8 Ga 16 Sn 30 clathrate compound. (See FIG. 1). In addition, since Al is contained, an inexpensive and light clathrate compound can be obtained.
ここで、本発明のクラスレート化合物におけるGaの原子比率であるGa/(Ba+Ga+Sn+Al)は0.09〜0.28の範囲が好ましい(図1参照)。また、本発明のクラスレート化合物におけるSnの原子比率であるSn/(Ba+Ga+Sn+Al)は0.55〜0.57の範囲が好ましい(図1参照)。上記範囲内であることにより請求項1に係るクラスレート化合物の製造が容易となる。 Here, Ga / (Ba + Ga + Sn + Al), which is the atomic ratio of Ga in the clathrate compound of the present invention, is preferably in the range of 0.09 to 0.28 (see FIG. 1). Further, Sn / (Ba + Ga + Sn + Al), which is the atomic ratio of Sn in the clathrate compound of the present invention, is preferably in the range of 0.55 to 0.57 (see FIG. 1). By being in the said range, manufacture of the clathrate compound which concerns on Claim 1 becomes easy.
請求項2に記載の発明では、組成式がBa 8 (Ga x ,Sn y ,Al z ) 46 (但し、x+y+z=1,0≦x≦1,0≦y≦1,0<z≦1)で表されるクラスレート化合物であって、クラスレート化合物におけるAlの原子比率であるAl/(Ba+Ga+Sn+Al)が0より大きく0.20以下であることを特徴とする。
In the invention according to
このように、Al/(Ba+Ga+Sn+Al)の比率が0より大きいことにより、クラスレート化合物の性能指数(ZT)が向上し、原料コストが安く軽量なクラスレート化合物とすることができる。また、発明者らにより、Al/(Ba+Ga+Sn+Al)が0.20を超えるクラスレート化合物は製造できないことがわかった。したがって、Al/(Ba+Ga+Sn+Al)が0.20以下であることにより、本発明に係るクラスレート化合物の製造を可能とすることができる。 Thus, when the ratio of Al / (Ba + Ga + Sn + Al) is larger than 0, the figure of merit (ZT) of the clathrate compound is improved, and the clathrate compound can be obtained at a low raw material cost and light weight. The inventors have also found that a clathrate compound having Al / (Ba + Ga + Sn + Al) exceeding 0.20 cannot be produced. Therefore, when Al / (Ba + Ga + Sn + Al) is 0.20 or less, the clathrate compound according to the present invention can be produced.
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載のクラスレート化合物を含んで構成されていることが特徴となっている。
The invention according to
上述のように、クラスレート化合物がAlを含んでいることにより大きな性能指数(ZT)が得られることから、Alを含んだクラスレート化合物で熱電変換材料を構成することにより、高い性能指数(ZT)を有する熱電変換材料を得ることができる。 As described above, since a large figure of merit (ZT) is obtained when the clathrate compound contains Al, a high figure of merit (ZT) can be obtained by constructing a thermoelectric conversion material with a clathrate compound containing Al. Can be obtained.
このような熱電変換材料は、請求項1または2に記載のクラスレート化合物そのものであっても良いし、その他の成分を含んでいても良い。また、本発明の熱電変換材料はp型であっても良いし、n型であっても良い。
Such a thermoelectric conversion material may be the clathrate compound itself according to
請求項4に記載の発明では、請求項2に記載のクラスレート化合物の製造方法であって、クラスレート化合物の構成元素を溶融させて溶融物とする工程を有し、クラスレート化合物の構成元素を溶融させて溶融物とする工程では、溶融物におけるAlの原子比率を0より大きく0.17以下とすることを特徴とする。
The invention according to
このように、溶融物におけるAlの比率を0より大きくすることにより、製造するクラスレート化合物にAlを含有させることができる。また、溶融物におけるAlの原子比率を0.17以下とすることにより、Al/(Ba+Ga+Sn+Al)が0.20以下であるクラスレート化合物を製造することができる(図1参照)。 Thus, by making the ratio of Al in the melt larger than 0, the clathrate compound to be produced can contain Al. Moreover, the clathrate compound whose Al / (Ba + Ga + Sn + Al) is 0.20 or less can be manufactured by making the atomic ratio of Al in a melt into 0.17 or less (refer FIG. 1).
そして、請求項5に記載の発明のように、請求項4に記載のクラスレート化合物の製造方法を用いることにより、クラスレート化合物そのものもしくはその他の成分を含んだ熱電変換材料を製造することができる。
Then, as in the invention described in claim 5 , by using the clathrate compound manufacturing method described in
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。まず、本発明に係るクラスレート化合物の製造方法について説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a method for producing a clathrate compound according to the present invention will be described.
はじめに、クラスレート化合物の構成元素である純度99%以上のBa、Ga、Sn、およびAlを図1の表に表された仕込み比(原子比率)となるように秤量した。なお、例えばAlの原子比率とはAl/(Ba+Ga+Sn+Al)で表される。Ba、Ga、Snについても同様である。 First, Ba, Ga, Sn, and Al having a purity of 99% or more, which are constituent elements of the clathrate compound, were weighed so as to have a charging ratio (atomic ratio) shown in the table of FIG. For example, the atomic ratio of Al is expressed by Al / (Ba + Ga + Sn + Al). The same applies to Ba, Ga, and Sn.
試料は仕込み比が異なるS1〜S7の7種類があり、それぞれについてクラスレート化合物を製造する。ここで、試料S0はAlを含まない従来品(Ba8Ga16Sn30,type−VIII)である。 There are seven types of samples, S1 to S7, with different charge ratios, and a clathrate compound is produced for each. Here, the sample S0 is a conventional product (Ba 8 Ga 16 Sn 30 , type-VIII) that does not contain Al.
なお、図1に示した表は、各試料S1〜S7の原料の仕込み比(at%)に対して得られた単結晶の組成比(at%)の他、500Kでのゼーベック係数(μV/K)、500Kでの比抵抗(Ωm)、および500Kでの性能指数(ZT)をそれぞれ示している。また、試料S0、S5の組成比や試料S1、S7のゼーベック係数および比抵抗は未測定である。 The table shown in FIG. 1 shows the composition ratio (at%) of the single crystal obtained with respect to the raw material charge ratio (at%) of each of the samples S1 to S7, as well as the Seebeck coefficient (μV / K), specific resistance at 500K (Ωm), and figure of merit (ZT) at 500K, respectively. Further, the composition ratio of the samples S0 and S5 and the Seebeck coefficient and specific resistance of the samples S1 and S7 are not measured.
次に、秤量した原料を石英管内に配置し、石英管内部を真空ポンプで真空に引いた後、石英管内をArガスの充填と真空引きを数回繰り返し、最後は石英管内を真空状態にして石英管を封止した。続いて、図2に示される温度パターンに従って、原料を仕込んだ石英管を電気炉内で加熱溶融(約490℃)して溶融物とし、この溶融物をさらに390℃まで100時間かけて冷却し、単結晶を成長させた。 Next, the weighed raw materials are placed in a quartz tube, the inside of the quartz tube is evacuated by a vacuum pump, and then the inside of the quartz tube is filled with Ar gas and evacuated several times. Finally, the inside of the quartz tube is evacuated. The quartz tube was sealed. Subsequently, according to the temperature pattern shown in FIG. 2, the quartz tube charged with the raw material is heated and melted (about 490 ° C.) in an electric furnace to form a melt, and the melt is further cooled to 390 ° C. over 100 hours. A single crystal was grown.
この段階では、単結晶は余剰物質(フラックス)に混入した状態となっている。そこで、遠心分離機を用いて石英管内を50℃以下に冷却すると共に単結晶と余剰物質とを分離した。 At this stage, the single crystal is in a state of being mixed with surplus material (flux). Therefore, the inside of the quartz tube was cooled to 50 ° C. or lower using a centrifuge, and the single crystal and the excess material were separated.
具体的には、上述のように単結晶を石英管内で成長させたが、図3に示されるように、石英管10に窪み11を設け、この窪み11を境に石英管10内を2つの部屋12、13に分けてある。また、石英管10の一方の部屋12の窪み11付近にグラスウール20を配置してある。そして、遠心分離の回転中心に対して石英管10の他方の部屋13を一方の部屋12よりも外側に配置することで、遠心力によってグラスウール20が石英管10の窪み11に引っ掛かると共に、結晶体30がグラスウール20に引っ掛かって石英管10の一方の部屋12に残され、加熱されて液状となっている余剰物質40はグラスウール20を介して他方の部屋13に分離される。このようにして、余剰物質40から結晶体30を分離し、金属光沢を持った結晶体30を石英管10から取り出した。
Specifically, the single crystal is grown in the quartz tube as described above, but as shown in FIG. 3, a
このような方法で、図1の表に示されたBa、Ga、Al、Snの仕込み比に応じた試料S1〜S7をそれぞれ製造した。すなわち、試料S1のAlの仕込み比を最も小さく設定し、試料S2〜S7については順にAlの仕込み比が大きくなるように設定した。 By such a method, samples S1 to S7 corresponding to the charging ratios of Ba, Ga, Al, and Sn shown in the table of FIG. 1 were manufactured. That is, the Al preparation ratio of the sample S1 was set to the smallest, and the samples S2 to S7 were set so that the Al preparation ratio increased in order.
そして、石英管10から取り出した結晶体30の一部を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、X線回折装置で測定した。その結果、試料S1〜S7のいずれにおいても、図4に示したtype−VIIIのクラスレート構造であることを確認した。図4に示されるように、クラスレート化合物は、(Ga,Sn,Al)が籠構造を形成し、Baがその籠構造に内包される構造となっている。
Then, a part of the
図5は、試料S4のX線回折チャートを示した図である。この図に示されるように、矢印で示されたピークがtype−VIIIの結晶構造を示すピークである。このようなtype−VIIIのピークは、他の試料についても同様の結果であった。なお、図5のX線回折結果には、結晶体30の結晶表面に付着した余剰物質40によるピークも含まれている。
FIG. 5 shows an X-ray diffraction chart of sample S4. As shown in this figure, the peak indicated by the arrow is a peak indicating the crystal structure of type-VIII. Such a peak of type-VIII was the same result for other samples. Note that the X-ray diffraction result of FIG. 5 includes a peak due to the
また、結晶体30を研磨し、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)で結晶体30の組成比を調べた結果を上記図1の表における「組成比」の欄に示す。全ての試料S1〜S7においてAlが検出され、クラスレート構造内にAlが置換していることがわかった。
Further, the result of polishing the
ここで、上記のようにクラスレート化合物の結晶体30を成長させた場合、Alの仕込み比が16.2at%のときに結晶体30のAlの組成比が図1に示されるように19.5at%であった。発明者らは、Alの仕込み比を17at%よりも高くしてクラスレート化合物の単結晶の成長を試みたが、単結晶は成長しなかった。このような結果から、クラスレート化合物の構成元素を溶融させて溶融物とする場合、溶融物におけるAlの原子比率を0.17以下とすることが好ましい。このような原子比率により得られるクラスレート化合物のAlの原子比率は0.20以下となる。したがって、溶融物におけるAlの原子比率を0より大きく0.17以下とすることで、得られるクラスレート化合物のAlの原子比率は0より大きく0.20以下となる。
Here, when the
発明者らは結晶体30をカット研磨し、Seebeck Measurement System(MMR Technologies社製)でその比抵抗およびゼーベック係数を測定した。その結果、上記の図1の表に示されているように、試料S2〜S6の比抵抗はAlを添加していない従来の試料S0よりも低い値が得られ、比抵抗は従来品である試料S0よりも低減されている。また、試料S2〜S6のゼーベック係数の絶対値は従来の試料S0に比べほぼ同じかそれ以上の値を示した。測定した全ての試料S2〜S6で負のゼーベック係数を示し、これらの試料S2〜S6がいずれもn型の熱電素子であることがわかった。なお、図1では500Kでの比抵抗およびゼーベック係数を示しているが、他の温度でも同様の結果が得られた。
The inventors cut and polished the
さらに、発明者らは、温度に対する結晶体30の性能指数ZTを調べた。その結果を図6に示す。この図に示されるように、全ての試料S2〜S6の性能指数が従来の試料S0よりも高いという結果が得られた。すなわち、Alが含まれた試料S2〜S6は、Alが含まれていない従来の試料S0よりも熱電変換性能が高いと言える。なお、図1では500Kでの性能指数が示されている。
Furthermore, the inventors examined the figure of merit ZT of the
以上のような製法により得られるAlを含んだクラスレート化合物そのものを熱電変換材料として用いることができる。また、クラスレート化合物を含んだ熱電変換材料を構成しても良い。この場合、熱電変換材料はn型でも良いし、p型でも良い。これにより、従来よりも性能指数が高い熱電変換材料が得られる。 The clathrate compound itself containing Al obtained by the above production method can be used as a thermoelectric conversion material. Moreover, you may comprise the thermoelectric conversion material containing a clathrate compound. In this case, the thermoelectric conversion material may be n-type or p-type. Thereby, the thermoelectric conversion material whose performance index is higher than before is obtained.
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる製法によりクラスレート化合物を製造する。まず、純度99%以上のBa、Ga、Sn、およびAlをBa:Ga:Sn:Al=4:12:30:4の仕込み比(at%)となるように秤量した。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the clathrate compound is produced by a production method different from that of the first embodiment. First, Ba, Ga, Sn, and Al having a purity of 99% or more were weighed so that the charging ratio (at%) was Ba: Ga: Sn: Al = 4: 12: 30: 4.
次に、アーク溶解法で原料を溶解させインゴットを作製した。このインゴットを石英ボートに載せ石英管内に配置した。石英管の内部はAr雰囲気とした。そして石英管を管状炉に入れてインゴットを溶融し、その後冷却して固化した。溶融からから冷却までの工程における管状炉の温度パターンは室温から900℃までは1800℃/hrで昇温し、900℃で5時間保持し、550℃から350℃までは10℃/hrでゆっくり降温するように設定した。 Next, the raw material was melted by an arc melting method to produce an ingot. This ingot was placed on a quartz boat and placed in a quartz tube. The interior of the quartz tube was in an Ar atmosphere. The quartz tube was placed in a tubular furnace to melt the ingot, and then cooled to solidify. The temperature pattern of the tubular furnace in the process from melting to cooling is increased from 1800 ° C / hr from room temperature to 900 ° C, held at 900 ° C for 5 hours, and slowly from 10 ° C / hr from 550 ° C to 350 ° C. The temperature was set to drop.
50℃以下に冷却した後、石英管から取り出した試料は、固化したフラックスの中に結晶体が埋まった構造をしていた。そこで、取り出した結晶体の一部を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、X線回折装置で測定した結果、type−VIIIのクラスレート構造である事を確認した。また、取り出した結晶体を研磨しEPMAで調べた結果、Ba:Ga:Sn:Al=14.50:23.61:56.13:5.76の組成比(at%)となっていた。 After cooling to 50 ° C. or lower, the sample taken out of the quartz tube had a structure in which the crystal was embedded in the solidified flux. Therefore, a part of the crystal body taken out was pulverized with a mortar of a straw and measured with an X-ray diffractometer. As a result, it was confirmed that it was a type-VIII clathrate structure. Moreover, as a result of grinding | polishing the taken-out crystal body and investigating by EPMA, it was set as the composition ratio (at%) of Ba: Ga: Sn: Al = 14.50: 23.61: 56.13: 5.76.
得られた1mm程度の単結晶を研磨し、その表面の比抵抗とゼーベック係数を室温で測定した結果、比抵抗は3.5×10−5Ωmであった。また、単結晶のゼーベック係数は427μV/Kであった。また、この単結晶はゼーベック係数の符号からp型であった。
(比較例1)
まず、純度99%以上のBa、Ga、Sn、およびAlをBa:Ga:Sn:Al=10.8:0:67.6:21.6の仕込み比(at%)となるように秤量した。つまり、クラスレート化合物の構成元素であるGaをすべてAlで置換する。
The obtained single crystal of about 1 mm was polished, and the specific resistance and Seebeck coefficient of the surface were measured at room temperature. As a result, the specific resistance was 3.5 × 10 −5 Ωm. The Seebeck coefficient of the single crystal was 427 μV / K. This single crystal was p-type from the sign of the Seebeck coefficient.
(Comparative Example 1)
First, Ba, Ga, Sn, and Al having a purity of 99% or more were weighed so that the charging ratio (at%) was Ba: Ga: Sn: Al = 10.8: 0: 67.6: 21.6. . That is, Ga, which is a constituent element of the clathrate compound, is all replaced with Al.
次に、上記と同様にアーク溶解法で原料を溶解させインゴットを作製した。温度条件等は上記と同様である。得られた結晶体を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、X線回折装置で測定した結果、クラスレート構造による回折ピークは見られなかった。
(比較例2)
まず、純度99%以上のBa、Ga、およびSnをBa:Ga:Sn=8:32:60の仕込み比(at%)となるように秤量した。つまり、クラスレート化合物の構成元素にAlを含んでいない。
Next, the raw material was melted by the arc melting method in the same manner as described above to produce an ingot. The temperature conditions and the like are the same as described above. The obtained crystal was pulverized with an agate mortar and measured with an X-ray diffractometer. As a result, no diffraction peak due to the clathrate structure was observed.
(Comparative Example 2)
First, Ba, Ga, and Sn having a purity of 99% or more were weighed so that the charging ratio (at%) was Ba: Ga: Sn = 8: 32: 60. That is, Al is not included in the constituent elements of the clathrate compound.
次に、秤量した原料をアーク溶解炉にて溶融し、その後、冷却して固化した。冷却時の速度は1000℃/hr以上であった。固化したインゴットを石英ボートに載せ、石英管内に配置した。石英管内部を真空ポンプで真空に引いた後、Arガスを充填しAr雰囲気とした。そして、石英管を電気管状炉に配置して試料を再溶融し、その後冷却して固化した。溶融から冷却工程における管状炉の温度パターンは室温から900℃までは1800℃/hrで昇温し、900℃で5時間保持し、550℃から350℃まで10℃/hrでゆっくり降温するように設定した。 Next, the weighed raw materials were melted in an arc melting furnace, and then cooled and solidified. The cooling rate was 1000 ° C./hr or more. The solidified ingot was placed on a quartz boat and placed in a quartz tube. The quartz tube was evacuated with a vacuum pump and then filled with Ar gas to form an Ar atmosphere. The quartz tube was then placed in an electric tubular furnace to remelt the sample, and then cooled to solidify. The temperature pattern of the tubular furnace in the melting to cooling process is to increase the temperature from room temperature to 900 ° C. at 1800 ° C./hr, hold at 900 ° C. for 5 hours, and gradually decrease the temperature from 550 ° C. to 350 ° C. at 10 ° C./hr. Set.
50℃以下に冷却した後、石英管から取り出した試料は、フラックスの中に結晶体が埋まった構造をしていた。取り出した結晶体を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、X線回折装置で測定した結果、type−Iのクラスレート構造である事を確認した。 After cooling to 50 ° C. or lower, the sample taken out from the quartz tube had a structure in which the crystal was embedded in the flux. The taken-out crystal was pulverized with a mortar and measured with an X-ray diffractometer. As a result, it was confirmed that it had a type-I clathrate structure.
取り出した結晶体を研磨し、EPMAで調べた結果、Ba:Ga:Sn=14.6:29.5:55.9の組成比(at%)となっていた。また、研磨した結晶体のゼーベック係数を測定した結果、その符合からp型であった。さらに、室温(25℃)にて結晶体の比抵抗を測定した結果、1×10−4Ωm以上の高い比抵抗を示した。
(比較例3)
まず、純度99%以上のBa、Ga、およびSnをBa:Ga:Sn=14.3:25.0:60.7の仕込み比(at%)となるように秤量した。
The extracted crystal was polished and examined by EPMA. As a result, the composition ratio (at%) was Ba: Ga: Sn = 14.6: 29.5: 55.9. Moreover, as a result of measuring the Seebeck coefficient of the polished crystal, it was p-type from the agreement. Furthermore, as a result of measuring the specific resistance of the crystal at room temperature (25 ° C.), it showed a high specific resistance of 1 × 10 −4 Ωm or more.
(Comparative Example 3)
First, Ba, Ga, and Sn having a purity of 99% or more were weighed so as to have a charging ratio (at%) of Ba: Ga: Sn = 14.3: 25.0: 60.7.
次に、秤量した原料をアーク溶解炉にて溶融し、その後、冷却して固化した。冷却時の速度は1000℃/hr以上であった。50℃以下に冷却した後に取り出した試料を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、放電プラズマ焼結装置で成形した。成形条件は、圧力:7.1kN、保持温度:400℃、保持時間:60minとした。 Next, the weighed raw materials were melted in an arc melting furnace, and then cooled and solidified. The cooling rate was 1000 ° C./hr or more. The sample taken out after cooling to 50 ° C. or lower was pulverized with a mortar of a straw and molded with a discharge plasma sintering apparatus. The molding conditions were pressure: 7.1 kN, holding temperature: 400 ° C., holding time: 60 min.
そして、焼結品の一部を瑪瑙の乳鉢で粉砕し、X線回折装置で測定した結果、type−VIIIのクラスレート構造であることを確認した。同様の焼成品のゼーベック係数を測定した結果、その符号からn型であることがわかった。更に、500Kでの比抵抗は7.0×10−5Ωm以上の高い比抵抗を示した。 A part of the sintered product was pulverized with a mortar made of straw and measured with an X-ray diffractometer. As a result, it was confirmed that it was a type-VIII clathrate structure. As a result of measuring the Seebeck coefficient of a similar fired product, it was found that it was n-type from its sign. Furthermore, the specific resistance at 500K showed a high specific resistance of 7.0 × 10 −5 Ωm or more.
以上のように、本実施形態に係るAlの仕込み比によって得られたp型のクラスレート化合物に対し、比較例1のようにGaをすべてAlに置換した場合ではクラスレート化合物が得られなかった。したがって、図1に示されるようにAlの仕込み比が適切でないと、Alを含んだクラスレート化合物が得られないことがわかる。 As described above, in contrast to the p-type clathrate compound obtained by the Al charging ratio according to the present embodiment, when all Ga was replaced with Al as in Comparative Example 1, no clathrate compound was obtained. . Therefore, as shown in FIG. 1, it is understood that a clathrate compound containing Al cannot be obtained unless the preparation ratio of Al is appropriate.
また、比較例2、3の結果からBa、Ga、およびSnの系では仕込み比(配合原料比)を変えても電気伝導度が低いクラスレート化合物(つまり熱電変換材料)を製造することは困難であることが確認できた。したがって、本実施形態のように、図1に示されるようなAlの仕込み比でクラスレート化合物を製造することが重要である。 Further, from the results of Comparative Examples 2 and 3, it is difficult to produce a clathrate compound (that is, a thermoelectric conversion material) having a low electrical conductivity even if the charging ratio (mixing raw material ratio) is changed in the Ba, Ga, and Sn system. It was confirmed that. Therefore, as in this embodiment, it is important to produce the clathrate compound with the Al charging ratio as shown in FIG.
(他の実施形態)
上記各実施形態では、Alの仕込み比を変更して得られた試料S1〜S7について説明したが、これは本発明のクラスレート化合物および熱電変換材料の一例であり、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the samples S1 to S7 obtained by changing the charging ratio of Al have been described. However, this is an example of the clathrate compound and thermoelectric conversion material of the present invention, and in a range not departing from the present invention. It can be implemented in various ways.
10 石英管
11 石英管の窪み
12 石英管の一方の部屋
13 石英管の他方の部屋
20 グラスウール
30 結晶体
40 余剰物質
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記クラスレート化合物におけるAlの原子比率であるAl/(Ba+Ga+Sn+Al)が0より大きく0.20以下であることを特徴とするクラスレート化合物。 It is a clathrate compound whose composition formula is represented by Ba 8 (Ga x , Sn y , Al z ) 46 (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z ≦ 1). And
The clathrate compound is the atomic ratio of Al in the compound Al / (Ba + Ga + Sn + Al) is characterized and to torque Rasureto compound that is 0.20 or less greater than 0.
前記クラスレート化合物の構成元素を溶融させて溶融物とする工程を有し、
前記クラスレート化合物の構成元素を溶融させて溶融物とする工程では、前記溶融物におけるAlの原子比率を0より大きく0.17以下とすることを特徴とするクラスレート化合物の製造方法。 A method for producing a clathrate compound according to claim 2 ,
Have a step of a melt by melting constituent elements of the clathrate compound,
In the step of melting the constituent elements of the clathrate compound to form a melt, the atomic ratio of Al in the melt is set to be greater than 0 and 0.17 or less .
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