JP5689185B2 - Samarium-cobalt thermoelectric composition having improved output factor and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物及びその製造方法に関し、より詳しくは、サマリウム−コバルト系熱電組成物において、上記サマリウムの一部はストロンチウムに置換される向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物を提供する。本発明によれば、サマリウム−コバルト系熱電組成物にドーパントを投入して少なくともサマリウムの一部を置換することによって、電気伝導度とゼーベック係数を調節して熱電組成物の出力因子を向上させることができる。   The present invention relates to a samarium-cobalt thermoelectric composition having an improved output factor and a method for producing the same, and more particularly, in the samarium-cobalt thermoelectric composition, an improved output in which part of the samarium is replaced with strontium. A samarium-cobalt based thermoelectric composition having a factor is provided. According to the present invention, by adding a dopant to the samarium-cobalt-based thermoelectric composition and replacing at least a portion of the samarium, the electrical conductivity and Seebeck coefficient are adjusted to improve the output factor of the thermoelectric composition. Can do.

熱電組成物は、熱的安定性、耐酸化性、及び低い毒性などの多い長所を持っている。その上、特に熱電酸化物の構成成分はよく求めることができる豊富な資源である。したがって、このような熱電酸化物は特に高温で使われるエネルギー源に有望な材料として脚光を浴びてきた。寺崎(Terasaki)は高いゼーベック係数を有する酸化物としてNaCoOを提案したが、上記酸化物は優れる導電性も表すものと報告されている。このような事実から酸化物の熱電性能は金属間化合物の熱電性能と対比できるものと考えられている。このような熱電酸化物のうち、コバルト酸化物の場合、その異方的結晶構造に起因する高い熱電性能を有するが、これによれば、ラミネート層と平行な方向の電気伝導度は他の方向に比べて非常に高いので、少なくとも電気伝導度の面で異方性を有する。但し、このような異方性は熱電酸化物を用いたモジュールの製造において複雑性を引き起こすことがあり、また、このような異方性は熱電酸化物の焼結性を妨害して、より高い密度を具現することに障害要素となっている。 Thermoelectric compositions have many advantages such as thermal stability, oxidation resistance, and low toxicity. In addition, the components of thermoelectric oxides in particular are abundant resources that can be sought well. Therefore, such thermoelectric oxides have attracted attention as promising materials for energy sources used particularly at high temperatures. Terasaki has proposed Na x CoO 2 as an oxide having a high Seebeck coefficient, but it is reported that the oxide also exhibits excellent conductivity. From these facts, it is considered that the thermoelectric performance of oxides can be compared with the thermoelectric performance of intermetallic compounds. Among such thermoelectric oxides, cobalt oxide has high thermoelectric performance due to its anisotropic crystal structure, but according to this, the electric conductivity in the direction parallel to the laminate layer is in other directions. Therefore, it has anisotropy at least in terms of electrical conductivity. However, such anisotropy may cause complexity in the manufacture of modules using thermoelectric oxides, and such anisotropy interferes with the sinterability of thermoelectric oxides and is higher. It is an obstacle to embodying density.

このような異方性結晶構造による短所を克服するために、高い対称性の単位セルを基本構造とする等方性結晶構造の新しい酸化物を開発すべき必要性が増大した。ここに、何人かの研究者らは例えばCaMnO、LaNiOなどのようなペロプスカイト酸化物に対してはじめて関心を有するようになった。 In order to overcome the disadvantages due to the anisotropic crystal structure, there is an increasing need to develop a new oxide having an isotropic crystal structure based on a highly symmetric unit cell. Here, some researchers became interested for the first time on perovskite oxides such as CaMnO 3 , LaNiO 3 and the like.

しかしながら、熱電酸化物は最も重要な要素である出力因子を向上しなければならない課題を有している。出力因子はゼーベック係数の自乗と電気伝導度、及び絶対温度の倍として表現できるが、ゼーベック係数と電気伝導度は相互独立変数であって、これを同調することによって出力因子を増幅させることに限界があった。即ち、ゼーベック係数の向上は電気伝導度の減少と連動する場合が多いので、出力因子の向上には多い障害要素を有しているという問題点があった。   However, thermoelectric oxides have the problem of improving the power factor, which is the most important factor. The output factor can be expressed as the square of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity, and the absolute temperature, but the Seebeck coefficient and the electrical conductivity are mutually independent variables, and there is a limit to amplifying the output factor by tuning this. was there. That is, since the improvement of the Seebeck coefficient is often linked with the decrease of the electrical conductivity, there is a problem that there are many obstacle elements for the improvement of the output factor.

本発明は、前述したような問題点を解決するために案出したものであって、本発明はサマリウム−コバルト系熱電組成物にドーパントを投入して少なくともサマリウムの一部を置換することによって、電気伝導度とゼーベック係数を調節して熱電組成物の出力因子を向上させるようにすることをその目的とする。   The present invention has been devised in order to solve the above-mentioned problems, and the present invention is to introduce a dopant into a samarium-cobalt thermoelectric composition to replace at least a part of samarium, The object is to improve the output factor of the thermoelectric composition by adjusting the electrical conductivity and Seebeck coefficient.

即ち、本発明により好ましい出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物を得るための目的は、サマリウムの一部をストロンチウムに置換したり、サマリウムの一部をストロンチウムに、コバルトの一部を鉄に同時置換することによって達成できる。   That is, the purpose of obtaining a samarium-cobalt thermoelectric composition having a preferable output factor according to the present invention is to replace a part of samarium with strontium, or a part of samarium to strontium and a part of cobalt to iron. This can be achieved by simultaneous replacement.

上記のような目的を達成するために、本発明はサマリウム−コバルト系熱電組成物において、上記サマリウムの一部はストロンチウムに置換される向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物を提供する。   To achieve the above object, the present invention provides a samarium-cobalt thermoelectric composition having an improved output factor in which a portion of the samarium is replaced by strontium. .

上記置換されるストロンチウムの量はサマリウムとストロンチウムとの合算モルを100モル%にする時、0超過10モル%以下の範囲のものが好ましい。   The amount of strontium to be substituted is preferably in the range of more than 0 and not more than 10 mol% when the total mol of samarium and strontium is 100 mol%.

上記サマリウム−コバルト系熱電組成物で上記コバルトの一部は鉄に置換されることが好ましい。   In the samarium-cobalt thermoelectric composition, a part of the cobalt is preferably replaced with iron.

上記置換されるストロンチウムの量はサマリウムとストロンチウムとの合算モルを100モル%にする時、0超過4モル%以下の範囲であり、上記置換される鉄の量はコバルトと鉄との合算モルを100モル%にする時、0超過6モル%以下の範囲であり、上記ストロンチウムと鉄とは同時ドーピングされるようにすることが好ましい。   The amount of strontium to be substituted is in the range of more than 0 and 4 mol% or less when the total mol of samarium and strontium is 100 mol%, and the amount of iron to be substituted is the total mol of cobalt and iron. When the amount is 100 mol%, it is preferably in the range of more than 0 to 6 mol%, and the strontium and iron are preferably co-doped.

上記コバルトの一部を置換する鉄は、コバルトと鉄との合算モルを100モル%にする時、0超過60モル%以下の範囲のものが好ましい。   The iron for substituting a part of cobalt is preferably in the range of more than 0 and less than 60 mol% when the total mol of cobalt and iron is 100 mol%.

以上のような本発明によれば、サマリウム−コバルト系熱電組成物の構成元素の一部をドーパントに置換することによって、より具体的には、サマリウムをストロンチウムに置換したり、またはサマリウムをストロンチウムに、コバルトを鉄に同時置換することで、電気伝導度とゼーベック係数を全て適切に調節することができ、その結果に、熱電組成物の出力因子を向上させることができる作用効果が期待される。   According to the present invention as described above, by replacing a part of the constituent elements of the samarium-cobalt thermoelectric composition with a dopant, more specifically, samarium is replaced with strontium, or samarium is replaced with strontium. By simultaneously substituting cobalt with iron, the electrical conductivity and Seebeck coefficient can all be adjusted appropriately, and as a result, the effect of improving the output factor of the thermoelectric composition is expected.

特に、熱電組成物において電気伝導度とゼーベック係数を全て向上させることができるようにすることは発明の特徴としており、これから出力因子を主要要素とする熱電物性の増進が期待される。   In particular, it is a feature of the invention that all the electric conductivity and Seebeck coefficient can be improved in the thermoelectric composition, and from this, the enhancement of thermoelectric properties with the output factor as the main factor is expected.

本発明の一実施形態に対する全組成を示すグラフである。2 is a graph showing the total composition for one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態であるSmCo1−xFeに対し、(a)電気伝導度、(b)ゼーベック係数、(c)出力因子を各々示すものである。To SmCo 1-x Fe x O 3 is an embodiment of the present invention, showing each (a) electric conductivity, (b) the Seebeck coefficient, (c) a power factor. ペロプスカイト構造を(a)正方晶、(b)斜方晶に対して図式化して示すものである。The perovskite structure is schematically shown for (a) tetragonal crystal and (b) orthorhombic crystal. 本発明の一実施形態であるSm1−xSrCo1−yFe(x=0.5、y=0、0.2、0.4、0.6)組成物に対してX線分析結果を示すものである。For Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (x = 0.5, y = 0, 0.2, 0.4, 0.6) composition that is one embodiment of the present invention An X-ray analysis result is shown. 本発明の一実施形態であるSm1−ySrCo0.6Fe0.4組成物に対し、(a)電気伝導度、(b)ゼーベック係数、(c)出力因子の温度依存性を示すグラフである。To Sm 1-y Sr y Co 0.6 Fe 0.4 O 3 composition which is an embodiment of the present invention, (a) electric conductivity, (b) the Seebeck coefficient, depending the temperature of (c) power factor It is a graph which shows sex. 本発明の一実施形態であるSm1−ySrCo1−xFe組成物に対し、(a)電気伝導度、(b)ゼーベック係数、(c)出力因子の温度依存性を示すグラフである。To Sm 1-y Sr y Co 1 -x Fe x O 3 composition which is an embodiment of the present invention, (a) electric conductivity, (b) the Seebeck coefficient, the temperature dependence of (c) power factor It is a graph to show. 本発明の一実施形態であるSm1−ySrCo1−xFe組成物に対し、(a)熱電導度、(b)ZT値の温度依存性を示すグラフである。To Sm 1-y Sr y Co 1 -x Fe x O 3 composition which is an embodiment of the present invention, is a graph illustrating the (a) thermal conductivity, the temperature dependence of the (b) ZT value.

本発明では熱電材料としてサマリウム−コバルト系熱電組成物、特にSmCoO酸化物に関して出力因子の向上を目標にした。電子セラミックペロプスカイト構造は、等方的結晶構造と電気的物性の制御の容易性等、さまざまな長所を有するので熱電材料としての可能性が高く評価される。一般的に、酸化物の電気伝導度はキャリア濃度(carrier concentration)とキャリア移動度(carrier mobility)に依存する。このようなペロプスカイト構造において、ドーパント(dopant)を使用する場合、キャリア濃度とキャリア移動度の2つ要素を同時に制御することができる。何より、ドーパントを添加すれば、キャリア濃度の調節が非常に容易である。 In the present invention, a samarium-cobalt-based thermoelectric composition as a thermoelectric material, particularly SmCoO 3 oxide, was aimed at improving the output factor. The electronic ceramic perovskite structure has various advantages such as isotropic crystal structure and ease of control of electrical properties, and thus is highly evaluated as a thermoelectric material. In general, the electrical conductivity of an oxide depends on the carrier concentration and carrier mobility. In such a perovskite structure, when a dopant is used, the two elements of carrier concentration and carrier mobility can be controlled simultaneously. Above all, the carrier concentration can be adjusted very easily by adding a dopant.

純粋なSmCoOにおいて、全てのCoイオンの原子価は3+である。もし、幾つかのアクセプタ(acceptor)がこのようなペロプスカイトに実質的に負(−)の値を有する欠陥を生成すれば、CO3+イオンの原子価はアクセプタの量に対応して4+に変化する。結果的に、このようにCO3+とCo4+が混合された状態ではフェルウェイ(Verwey)の調節されたイオン原子価理論(Verwey controlled ionic valence principle)に基づいてキャリア濃度が増加するようになる。また、このような電子はSm1−xCoOペロプスカイトp−タイプ半導体を生成する。その上、このようなABOペロプスカイトシステムにおいて、Aサイトだけでなく、Bサイトもドーパントに取り替えることによって、キャリア濃度を調節することができる。 In pure SmCoO 3 the valence of all Co ions is 3+. If some acceptors produce defects with such a perovskite having a substantially negative (-) value, the valence of the CO 3+ ion changes to 4+ corresponding to the amount of acceptor. To do. As a result, in the state where CO 3+ and Co 4+ are mixed in this way, the carrier concentration increases based on Verwey controlled ionic valence principle (Verwey controlled ionic valence principle). Such electrons also produce Sm 1-x A x CoO 3 perovskite p-type semiconductors. Moreover, in such an ABO 3 perovskite system, the carrier concentration can be adjusted by replacing not only the A site but also the B site with dopants.

一方、熱電組成物にドーパントを加えてペロプスカイト酸化物の結晶構造の歪み(distortion)を調節することによって、移動度を制御することもできる。歪み度(degree of distortion)はABOペロプスカイトの幾何学的歪みを表現するペロプスカイト許容係数(tolerance factor)の古典的パラメータ(conventional parameter)として表現される。小さいイオン半径を有するAサイト、または大きいイオン半径を有するBサイトの場合、許容係数(tolerance factor)は1より小さい。このような小さい許容係数(tolerance factor)はペロプスカイト構造の歪みを引き起こす。その結果、このような歪みは電子−ホール伝導を妨害してホール移動度を減少させる。即ち、AサイトイオンとBサイトイオンとの間のイオン半径割合を調節すれば、このようなペロプスカイトシステムのキャリア移動度を変化させることができる。ペロプスカイト酸化物の電気的性質はこのような方法により調節することが容易である。 On the other hand, mobility can be controlled by adding a dopant to the thermoelectric composition to adjust the distortion of the crystal structure of the perovskite oxide. The degree of distortion is expressed as a classical parameter of the perovskite tolerance factor that represents the geometric distortion of the ABO 3 perovskite. For an A site with a small ionic radius or a B site with a large ionic radius, the tolerance factor is less than one. Such a small tolerance factor causes distortion of the perovskite structure. As a result, such distortion interferes with electron-hole conduction and reduces hole mobility. That is, the carrier mobility of such a perovskite system can be changed by adjusting the ion radius ratio between the A site ion and the B site ion. The electrical properties of the perovskite oxide can be easily adjusted by such a method.

したがって、本発明ではキャリア濃度とキャリア移動度を調節するために、2つの相異するドーパント、即ち、Sr2+イオンをSm3+サイトに取替え挿入し、Fe3+イオンをCO3+サイトに取替え挿入し、かつFe3+のドーピング量は6モル%を限度にすることができる。即ち、同時ドーピングを行うことにおいて、Fe3+とSr2+は各々6モル%と4モル%を限度に加える場合、出力因子の実用的な意味での向上を期待することができる。 Therefore, in the present invention, in order to adjust the carrier concentration and the carrier mobility, two different dopants, namely, Sr 2+ ions are replaced and inserted into Sm 3+ sites, and Fe 3+ ions are replaced and inserted into CO 3+ sites. And the doping amount of Fe 3+ can be limited to 6 mol%. That is, in the simultaneous doping, when Fe 3+ and Sr 2+ are added in an amount of 6 mol% and 4 mol%, respectively, an improvement in output factor in a practical sense can be expected.

しかしながら、同時ドーピングを行うことにおいて、Fe3+を6モル%超過過量添加する場合には、ゼーベック係数の向上を期待することはできるが、電気伝導度に否定的影響を与えて、Sr2+を4モル%超過過量添加する場合には、電気伝導度の向上を期待することはできるが、ゼーベック係数に否定的影響を与える。 However, when co-doping and Fe 3+ is added in an excess amount of 6 mol%, an improvement in the Seebeck coefficient can be expected, but it negatively affects the electrical conductivity, and Sr 2+ is 4 In the case of adding an excess amount in excess of mol%, an improvement in electrical conductivity can be expected, but it negatively affects the Seebeck coefficient.

このように、Fe3+、Sr2+を過量添加した場合に発生する電気伝導度、またはゼーベック係数の上昇効果は後述することにする。 As described above, the effect of increasing the electric conductivity or Seebeck coefficient when an excessive amount of Fe 3+ or Sr 2+ is added will be described later.

また、本発明によるサマリウム−コバルト系の熱電組成物では同時ドーピングでない、即ち、CoをFeに置換しない状態でSmをSrに一部置換することによって、大きい出力因子の向上を期待することができたが、これもまた本発明の重要な特徴であり、やはり後述することにする。   Further, in the samarium-cobalt thermoelectric composition according to the present invention, a large power factor can be expected to be improved by not partially doping, that is, by partially replacing Sm with Sr without replacing Co with Fe. However, this is also an important feature of the present invention and will be described later.

このようなドーピングの効果は、Sm1−xSrCo1−yFeペロプスカイトシステムにおいてキャリア濃度と移動度の変化をもたらしたものであり、それに従う熱電特性を説明する。 Such doping effects have resulted in changes in carrier concentration and mobility in the Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 perovskite system and will explain the thermoelectric properties according to it.

<製造例>
Sm1−xSrCo1−yFeを固相反応法により製造したが、出発物質にはSm(純度99.9%、高純度化学、埼玉、日本)、SrCO(純度99.9%、高純度化学、埼玉、日本)、CoO(99.9%以上の純度、高純度化学、埼玉、日本)、α−FeO(純度99.99%、高純度化学、埼玉、日本)を20分間エタノールを溶媒にし、YSZボールを使用して混合した。以後、混合物を数時間の間乾燥し、以後に1000℃で10時間の間か燒した。以後、か燒された粉末をCIP方法を用いて2000barの圧力で5分間成形した。そして、上記成形体を1200℃の温度及び空気中で5時間の間焼結した。
<Production example>
Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 was produced by a solid phase reaction method, but Sm 2 O 3 (purity 99.9%, high purity chemical, Saitama, Japan), SrCO 3 was used as a starting material. (Purity 99.9%, high purity chemistry, Saitama, Japan), Co 3 O 4 (99.9% or more purity, high purity chemistry, Saitama, Japan), α-Fe 2 O (purity 99.99%, High purity chemistry, Saitama, Japan) was mixed for 20 minutes using ethanol as a solvent and YSZ balls. Thereafter, the mixture was dried for several hours and then rinsed at 1000 ° C. for 10 hours. Thereafter, the powdered powder was molded for 5 minutes at a pressure of 2000 bar using the CIP method. And the said molded object was sintered for 5 hours in the temperature of 1200 degreeC, and air.

<測定例>
Sm1−xSrCo1−yFeの相はX線を用いて分析した。また、熱電特性を473K〜1223Kの範囲で測定した。併せて、電気伝導度の温度依存性を4プローブ方法により測定し、ゼーベック係数をΔVとΔTの線形的グラフの傾きから計算した。ここで、ΔVは温度差ΔTから導出される熱起電力である。また、レーザーフラッシュ方法により熱電導度を測定した。
<Measurement example>
The phase of Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 was analyzed using X-rays. Moreover, the thermoelectric characteristic was measured in the range of 473K-1223K. In addition, the temperature dependence of the electrical conductivity was measured by the 4-probe method, and the Seebeck coefficient was calculated from the slopes of the linear graphs of ΔV and ΔT. Here, ΔV is a thermoelectromotive force derived from the temperature difference ΔT. Further, the thermal conductivity was measured by a laser flash method.

<実施形態>
図1は、本発明で実験的に使用した全ての組成を示すものである。まず、Fe3+イオンをCo3+個所に置換し、その量は2、4、10、20、40、及び60モル%、即ちCo:Feを98:2〜40:60に変化した。Fe3+をドーピングすることはSmCo1−yFeシステムのゼーベック係数を増加させるためであり、これと共に熱電出力因子を好ましく増加させるようにするためのものである。このような置換量はFeの置換によってサマリウム−コバルト熱電組成物のゼーベック係数の推移が変化することを見せるためのものであって、サマリウム−コバルト熱電組成物での出力因子の観点からFe添加量の好ましい量を表すためのものでないことに周知すべきである。要するに、Fe3+ドーピングの理由は本発明のペロプスカイト組成物のゼーベック係数を上げることによって、熱電出力因子を増加させるためであるが、その好ましい量は上記置換量とは関係ないものである。
<Embodiment>
FIG. 1 shows all the compositions used experimentally in the present invention. First, Fe 3+ ions were replaced with Co 3+ sites, and their amounts were changed to 2, 4, 10, 20, 40, and 60 mol%, that is, Co: Fe was changed from 98: 2 to 40:60. Doping Fe 3+ is to increase the Seebeck coefficient of the SmCo 1-y Fe y O 3 system, and to increase the thermoelectric power factor with it. Such a substitution amount is intended to show that the change of the Seebeck coefficient of the samarium-cobalt thermoelectric composition is changed by the substitution of Fe, and the addition amount of Fe from the viewpoint of the output factor in the samarium-cobalt thermoelectric composition It should be well known that it is not intended to represent a preferred amount of. In short, the reason for Fe 3+ doping is to increase the thermoelectric power factor by increasing the Seebeck coefficient of the perovskite composition of the present invention, but the preferred amount is not related to the above substitution amount.

また、Sr2+イオンをSm3+個所に20モル%と50モル%に各々置換してSm1−xSrCo0.6Fe0.4組成を作った。このような置換量はSrの置換によってサマリウム−コバルト熱電組成物の電気伝導度の推移が変化することを見せるためのものであって、サマリウム−コバルト熱電組成物での出力因子の観点から好ましい量を示すためのものでないことを周知すべきである。要するに、Sr2+ドーピングの理由は本発明のペロプスカイト組成物の電気伝導度を上げることによって、熱電出力因子を増加させるためであるが、その好ましい量は上記置換量とは関係ないものである。 Further, Sm 2+ ions were substituted at 20 mol% and 50 mol% at Sm 3+ locations, respectively, to make Sm 1-x Sr x Co 0.6 Fe 0.4 O 3 composition. Such a substitution amount is for showing that the transition of the electric conductivity of the samarium-cobalt thermoelectric composition is changed by the substitution of Sr, and is a preferable amount from the viewpoint of the output factor in the samarium-cobalt thermoelectric composition. It should be well known that it is not intended to indicate. In short, the reason for the Sr 2+ doping is to increase the thermoelectric power factor by increasing the electric conductivity of the perovskite composition of the present invention, but the preferable amount is not related to the above substitution amount.

図2は、ドーピングされたSmCo1−yFeシステム(y=0.2、0.4、0.6)のゼーベック係数と出力因子を示すものである。即ち、Srのドーピングは排除されている状態である。意図したように、ゼーベック係数はFe3+のドーピング量に比例して増加した。しかしながら、出力因子はFeのドーピング量によって減少する傾向を表している。即ち、後述するように、このような出力因子の減少はSr2+の同時ドーピングにより可能である。 FIG. 2 shows the Seebeck coefficient and power factor of the doped SmCo 1-y Fe y O 3 system (y = 0.2, 0.4, 0.6). That is, Sr doping is excluded. As intended, the Seebeck coefficient increased in proportion to the amount of Fe 3+ doping. However, the output factor shows a tendency to decrease with the amount of Fe doping. That is, as will be described later, such a reduction in output factor is possible by co-doping with Sr 2+ .

Fe3+のドーピングに従うゼーベック係数の増加原因は、キャリア移動度の減少から説明できるが、ゼーベック係数はキャリア移動度とキャリア濃度に逆比例することが分かり、これは次のように説明することができる。 The cause of the increase in Seebeck coefficient according to Fe 3+ doping can be explained by the decrease in carrier mobility, but it can be seen that the Seebeck coefficient is inversely proportional to carrier mobility and carrier concentration, which can be explained as follows. .

[数1]
S = (π/З) (KB/q) KB T {d[ln(σ(E))]/dE}E=EF
=(π/З) (KB/q) KB T {(1/n)(dn(E)/dE)+(1/μ)(dμ(E)/dE)} E=EF
[Equation 1]
S = (π 2 / З) (K B / q) K B T {d [ln (σ (E))] / dE} E = E F
= (π 2 / З) (K B / q) K B T {(1 / n) (dn (E) / dE) + (1 / μ) (dμ (E) / dE)} E = E F

ここで、K:ボルツマン定数、q:電荷荷電、T:絶対温度、σ:電気伝導度、n:キャリア濃度、μ:キャリア移動度を各々示す。 Here, K B : Boltzmann constant, q: charge charge, T: absolute temperature, σ: electrical conductivity, n: carrier concentration, μ: carrier mobility, respectively.

<数式1>から分かるように、ゼーベック係数はキャリア移動度に反比例する。   As can be seen from Equation 1, the Seebeck coefficient is inversely proportional to the carrier mobility.

したがって、前述したように、ドーピングされたFe3+イオンは本SmCo1−yFeシステムの移動度を減少させることによって、ゼーベック係数を増加させる。また、2種類の因子が本システムの移動度の減少と関連する。ドーピングイオンがキャリア移動度を減少させる第1の理由は結晶構造の歪みにある。そして、歪み度がABO3−タイプのペロプスカイトの形状的歪みはペロプスカイト許容係数(tolerance factor)の古典的パラメータとして表現されるが、このような古典的パラメータは以下のように定義される。 Therefore, as described above, doped Fe 3+ ions increase the Seebeck coefficient by reducing the mobility of the present SmCo 1-y Fe y O 3 system. Two types of factors are associated with a decrease in mobility of the system. The first reason why doping ions reduce carrier mobility is distortion of the crystal structure. The geometric distortion of a perovskite having a distortion degree of ABO 3- type is expressed as a classic parameter of a tolerance factor. Such a classic parameter is defined as follows.

[数2]
t = (rA + rO)/√2(rB + rO)
[Equation 2]
t = (r A + r O ) / √2 (r B + r O )

ここで、r、r、及びrは各イオンのイオン半径である。そして、結晶構造のイオン半径は配位数と各イオンの荷電原子価により変化される。ペロプスカイト構造でt値は0.75〜1.1の範囲にあるが、正方晶ペロプスカイト構造において、tはほぼ1の値を有する。この場合、Co周囲の八面体頂点に正確に酸素(O)原子が位置する場合、このような八面体は図3(a)に示すように歪みされる必要がない。しかしながら、より大きいrにおいてはt値が1以下に減るため、形状的歪みは徐々に大きくなる。 Here, r A , r B , and r O are the ionic radii of each ion. The ionic radius of the crystal structure is changed by the coordination number and the charged valence of each ion. In the perovskite structure, the t value is in the range of 0.75 to 1.1, but in the tetragonal perovskite structure, t has a value of approximately 1. In this case, when the oxygen (O) atom is positioned exactly at the octahedral apex around Co, such an octahedron need not be distorted as shown in FIG. However, t values for reduced to 1 or less, the shape distortion gradually increases in greater than r B.

その結果、大きいrの場合、正方晶(cubic)は斜方晶相に(orthorhombic)歪みを起こすようになり、したがって、Coイオンの周囲の酸素原子は正方晶の頂点の位置から離脱、結晶構造がより歪みされて図3(b)のようにジグザグチェーンのような形状が表れるようになる。許容係数(tolerance factor)値はFe3+の添加量が増加するにつれて減少し、本発明で算出された許容係数(tolerance factor)はCoとFeとの合算モルを100モル%にした時、20、40、60モル%添加されたFe3+(0.55オングストローム、6th coordinated)に対し、0.9594、0.9589、0.9584であった。許容係数(Tolerance factor)値の計算のためにA−サイトイオン、B−サイトイオン、及びOイオン(1.40オングストローム、6th coordinated)の配位数は12、6、6のものを使用した。 As a result, in the case of large r B, tetragonal (cubic) becomes as cause (orthorhombic) distorted orthorhombic phase, therefore, oxygen atoms surrounding the Co ions released from the position of the vertex of the tetragonal crystal The structure is further distorted, and a shape like a zigzag chain appears as shown in FIG. The tolerance factor value decreases as the amount of Fe 3+ added increases, and the tolerance factor calculated in the present invention is 20 when the total mole of Co and Fe is 100 mol%, It was 0.9594, 0.9589, and 0.9584 with respect to Fe 3+ (0.55 angstrom, 6 th coordinated) added at 40 and 60 mol%. Coordination numbers of A-site ion, B-site ion, and O ion (1.40 angstrom, 6 th coordinated) of 12, 6, 6 were used for calculation of tolerance factor values. .

そして、本発明ではシャノン(Shannon)のイオン半径を許容係数(tolerance factor)を計算することに使用した。このように減少した許容係数(tolerance factor)は本発明の熱電組成物であるペロプスカイト構造の歪みを加速化させる。そして、小さい許容係数(tolerance factor)に起因するこのような歪みはXRD分析から確認されることができ、これを図4(a)〜(d)に示した。ペロプスカイト構造の歪み度(degree of distortion)は(020)ピークと(200)ピークのスプリットから確認できる。X線パターンが図4(a)に示すように、純粋なSmCoOサンプルはPnmaの斜方晶相に対称を有する単一相として命名できる。 In the present invention, Shannon's ionic radius was used to calculate the tolerance factor. This reduced tolerance factor accelerates the distortion of the perovskite structure that is the thermoelectric composition of the present invention. And such distortion due to a small tolerance factor can be confirmed from XRD analysis, which is shown in FIGS. 4 (a) to 4 (d). The degree of distortion of the perovskite structure can be confirmed from the split of the (020) peak and the (200) peak. As the X-ray pattern shows in FIG. 4 (a), the pure SmCoO 3 sample can be named as a single phase symmetric to the orthorhombic phase of Pnma.

また、Fe3+のように大きいBサイトイオンを有するペロプスカイト構造も斜方晶相として命名される。しかしながら、(020)と(200)ピークのスプリットは純粋なSmCoOより大きい。その結果、SmCo1−yFeシステムにおいてCo3+より大きいイオン半径を有するFe3+イオンにより結晶構造はより歪んだ結晶構造を引き起こし、これは小さい許容係数(tolerance factor)に起因する。そして、より大きい歪みは電子−ホール伝導を妨害してホール移動度を減少させる。 A perovskite structure having a large B site ion such as Fe 3+ is also named as an orthorhombic phase. However, the split of (020) and (200) peaks is greater than pure SmCoO 3 . As a result, in the SmCo 1-y Fe y O 3 system, the crystal structure causes a more distorted crystal structure due to Fe 3+ ions having an ionic radius greater than Co 3+ , which is attributed to a small tolerance factor. And larger strains interfere with electron-hole conduction and reduce hole mobility.

一方、X線分析結果、全ての組成において2次相は発見されておらず、2次相がホール移動度を減少させる要因でないことと見える。   On the other hand, as a result of X-ray analysis, no secondary phase has been found in all compositions, and it appears that the secondary phase is not a factor that decreases the hole mobility.

移動度が減少する更に他の理由は、伝導経路がCo3+サイトにドーピングされたFe3+イオンにより遮断されることから説明することができる。Co酸化物の伝導経路はCo−O−Coボンディングである。したがって、Coサイトに対するFeの添加は電子−ホール伝導を妨害してホール移動度を減少させることができるものである。 Yet another reason for the decrease in mobility can be explained by the fact that the conduction path is blocked by Fe 3+ ions doped in the Co 3+ site. The conduction path of Co oxide is Co—O—Co bonding. Therefore, the addition of Fe to the Co site can hinder electron-hole conduction and reduce hole mobility.

ドーピング量に従う電気伝導度の変化を図2(b)、出力因子の変化を図2(c)に各々示した。増加したゼーベック係数にも関わらず、出力因子値はFe3+イオンのドーピング量に比例して減少するが、これは電気伝導度の減少に起因する。通常、低いキャリア濃度領域では出力因子値はσ×Sとして表現され、これはキャリア濃度の増加によって増加するが、電気伝導度が増加するためである。 The change in electrical conductivity according to the doping amount is shown in FIG. 2 (b), and the change in output factor is shown in FIG. 2 (c). Despite the increased Seebeck coefficient, the power factor value decreases in proportion to the amount of Fe 3+ ion doping, which is due to a decrease in electrical conductivity. Usually, in the low carrier concentration region, the output factor value is expressed as σ × S 2 , which increases with an increase in carrier concentration, but increases in electrical conductivity.

以後、高いキャリア濃度領域では出力因子値は増加したキャリア濃度によって減少するが、これはゼーベック係数が減少するためである。したがって、出力因子値はキャリア濃度の中間領域で最大値を有する。しかしながら、図2(c)に示すように、出力因子値は全ての領域でドーピング量によって減少する。このような結果は、キャリア濃度、特にドーパントのドーピング量がまだ最適化されず、過ドーピングされたためであると考えられる。   Thereafter, in the high carrier concentration region, the output factor value decreases with the increased carrier concentration, because the Seebeck coefficient decreases. Therefore, the output factor value has a maximum value in the intermediate region of the carrier concentration. However, as shown in FIG. 2C, the output factor value decreases with the doping amount in all regions. Such a result is considered to be because the carrier concentration, in particular, the doping amount of the dopant has not been optimized yet and is overdoped.

図5は、電気伝導度とSrを、SmとSrとの合算モルを100モル%にする時、20及び50モル%に過量ドーピングされたSm1−xSrCo0.6Fe0.4システムの電気伝導度(a)、ゼーベック係数(b)、出力因子(c)を各々示すものである。意図した通り、電気伝導度はSr3+のドーピング量が増加するにつれて比例して増加した。 FIG. 5 shows Sm 1-x Sr x Co 0.6 Fe 0.4 excessively doped to 20 and 50 mol% when the electrical conductivity and Sr are 100 mol% in the total mole of Sm and Sr. The electric conductivity (a), Seebeck coefficient (b), and output factor (c) of the O 3 system are shown. As intended, the electrical conductivity increased proportionally with increasing Sr 3+ doping.

本発明による熱電組成物で電気伝導度が増加した理由は、2つ要素により説明できる。1つはキャリア濃度の増加であり、もう1つはキャリア移動度の増加である。電気伝導度はアクセプタ(acceptor)のドーピング量の増加によって増加した。   The reason why the electrical conductivity is increased in the thermoelectric composition according to the present invention can be explained by two factors. One is an increase in carrier concentration, and the other is an increase in carrier mobility. The electrical conductivity increased with increasing acceptor doping.

図5(a)は、Sm1−xSrCoOシステムにおいて、電気伝導度がドーピング量によって増加したことを示すグラフである。このような傾向はフェルウェイ(Verwey)制御されたイオン電荷理論(Verwey controlled ionic valence principle)でCO3+からCo4+に原子価が変化したことに起因する電子濃度の増加に基づいて説明できる。 FIG. 5A is a graph showing that the electrical conductivity increases with the doping amount in the Sm 1-x Sr x CoO 3 system. Such a tendency can be explained based on an increase in electron concentration due to a change in valence from CO 3+ to Co 4+ in the Verwey controlled ionic valence valence principle.

許容係数(tolerance factor)値はSr2+の添加量に従って増加する。計算された許容係数(tolerance factor)は純物質、SmとSrとの合算モル100モル%を基準として20及び50モル%添加されたSr2+(1.44オングストローム、12th coordinated)の場合、各々0.9589、0.9968、0.9991である。許容係数(tolerance factor)の計算において、Coイオンのイオン半径計算は、アクセプタの量に比例してCO3+(0.545オングストローム、6th coordinated)の原子価がCo4+の原子価に変化されるので重要である。したがって、本発明ではCoイオンの平均半径値をドーパントの量に従う荷電原子価の変化を考慮して選定及び使用しなければならない。即ち、CO3+とCo4+の半径が異なるので、これら存在量に比例する平均値を求めて選定及び使用しなければならない。 The tolerance factor value increases with the amount of Sr 2+ added. The calculated tolerance factor is 0 for pure substances, Sr 2+ (1.44 angstroms, 12th coordinated) added at 20 and 50 mol% based on 100 mol% of the sum of Sm and Sr. .9589, 0.9968, and 0.9991. In calculating the tolerance factor, the calculation of the ion radius of Co ions is based on the fact that the valence of CO 3+ (0.545 Å, 6th coordinated) is changed to the valence of Co 4+ in proportion to the amount of acceptor. is important. Therefore, in the present invention, the average radius value of Co ions must be selected and used in consideration of the change in charged valence according to the amount of dopant. That is, since the radii of CO 3+ and Co 4+ are different, an average value proportional to the abundance must be obtained and selected and used.

このような許容係数(tolerance factor)の増加は本ペロプスカイト構造の歪み度を減少させる。そして、大きい許容係数(tolerance factor)に起因する少ない精度の歪みは図4(e)に示すようなX線分析により確認できる。前述したように、歪み度は斜方晶構造においてX線分析結果の(200)ピークと(002)ピークのスプリットから確認できる。言い換えると、少なく歪みされたペロプスカイトの場合、ピークのスプリットは徐々に小さくなる。図4(e)で示したX線パターンのように、大きいAサイトイオンSr2+のX線結果は斜方晶である。しかしながら、(200)と(002)との間のピークのスプリットは純粋なSmCoOより小さい。その結果、Sm1−xSrCoOシステムのSm2+より大きいイオン半径を有するSr2+は大きい許容係数(tolerance factor)を有するため、より少ない精度で歪みされた構造を有する結晶構造を完成する。そして、このような少ない精度の歪みは電子−ホール伝導を増加させてホール移動度を増加させる。 Such an increase in tolerance factor decreases the degree of distortion of the perovskite structure. And the distortion of the small precision resulting from a big tolerance factor can be confirmed by X-ray analysis as shown in FIG.4 (e). As described above, the degree of distortion can be confirmed from the split of the (200) peak and the (002) peak of the X-ray analysis result in the orthorhombic structure. In other words, for a less distorted perovskite, the peak split gradually decreases. As shown in the X-ray pattern shown in FIG. 4E, the X-ray result of the large A site ion Sr 2+ is orthorhombic. However, the peak split between (200) and (002) is less than pure SmCoO 3 . As a result, Sr 2+ having an ionic radius larger than Sm 2+ in the Sm 1-x Sr x CoO 3 system has a large tolerance factor, thus completing a crystal structure having a distorted structure with less accuracy. . And such a low precision distortion increases electron-hole conduction and increases hole mobility.

図5(c)に本発明による熱電組成物において、Feのドーピング量を固定し、Srのドーピング量に変化を与えながらそのドーピング量に従う出力因子値の変化を示した。Fe3+が過量ドーピングされた図2(b)のように、全範囲のドーピング量に対してゼーベック係数の減少によって出力因子値が減少した。このような結果は、キャリア濃度、即ちドーピング量が最適化されずに過ドーピングされたためである。 FIG. 5 (c) shows the change of the output factor according to the doping amount while fixing the doping amount of Fe and changing the doping amount of Sr in the thermoelectric composition according to the present invention. As shown in FIG. 2B in which Fe 3+ was excessively doped, the output factor value was decreased by decreasing the Seebeck coefficient with respect to the doping amount in the entire range. Such a result is because the carrier concentration, that is, the doping amount, was over-doped without being optimized.

結果的に、本発明では少ないドーピング量でSm1−xSrCo1−yFe(x=0、0.2、y=0.02、0.05)組成から実用的な意味がある出力因子を導出することができた。図6はこのような少ないドーピング量による熱電性能を見せる。意図したように、少ないドーピング量は本ペロプスカイト酸化物の出力因子を格段に向上させた。図6の(a)と(b)に示すように、電気伝導度とゼーベック係数も同時に増加することが分かった。その結果、Sm0.98Sr0.02CoOで最大値を表した。このような電気伝導度の増加は、前述したように、大きい許容係数(tolerance factor)に起因したキャリア濃度及びキャリア移動度の増加に原因があることと見える。結果的に、本システムの出力因子の最大値は、上の組成に対して786Kで2.04×10−4W/mKであった。そして、このような値は最も有望な熱電酸化物であるCaCoの値を凌駕する値である。図1に示すように、ドーピング量が少ない場合、ドーピング量が多い場合より高い出力因子を表すことが分かる。少量のドーピングはソリッドサークル(solid circle)、多量のドーピングはオープンサークル(open circle)として表した。 As a result, the present invention has a practical meaning from the composition of Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (x = 0, 0.2, y = 0.02, 0.05) with a small doping amount. There was an output factor that could be derived. FIG. 6 shows the thermoelectric performance with such a small doping amount. As intended, a small amount of doping significantly improved the output factor of the perovskite oxide. As shown in FIGS. 6A and 6B, it was found that the electrical conductivity and Seebeck coefficient also increased at the same time. As a result, the maximum value was represented by Sm 0.98 Sr 0.02 CoO 3 . Such an increase in electrical conductivity appears to be caused by an increase in carrier concentration and carrier mobility due to a large tolerance factor, as described above. As a result, the maximum power factor of the system was 2.04 × 10 −4 W / mK 2 at 786 K for the above composition. Such a value exceeds the value of Ca 3 Co 4 O 9 which is the most promising thermoelectric oxide. As shown in FIG. 1, it can be seen that when the doping amount is small, the output factor is higher than when the doping amount is large. A small amount of doping is represented as a solid circle, and a large amount of doping is represented as an open circle.

本システムの熱電導度はCaCo熱電材料より若干高い程度であった。結果的に、無次元の性能指数(figure of merit)値は十分に高くなかったし、これは図7に示した通りである。Srが過量ドーピングされた場合、例えば50モル%のSrがドーピングされた場合、表示されるSm1/2Sr1/2Co1−xFe(x=0、0.1、0.2、0.4、0.6)組成の出力因子は非常に低かったし、これは過量のSr2+イオンのドーピングに起因した低いゼーベック係数が原因であると考えられる。したがって、Sr2+のドーピング量はSmとSrとの合算モル100モル%を基準に10モル%以下にドーピングされる場合に実用的な意味がある出力因子が得られた。また、Fe3+イオンをドーピングしなかった状態でSr2+イオンのドーピングだけでも出力因子がより向上する実験的な結果が得られた。 The thermal conductivity of this system was slightly higher than that of the Ca 3 Co 4 O 9 thermoelectric material. As a result, the dimensionless figure of merit value was not high enough, as shown in FIG. When Sr is overdoped, for example, when 50 mol% Sr is doped, the displayed Sm 1/2 Sr 1/2 Co 1-x Fe x O 3 (x = 0, 0.1,. 2, 0.4, 0.6) The compositional output factor was very low, which is thought to be due to the low Seebeck coefficient due to doping with excessive amounts of Sr 2+ ions. Therefore, a practically meaningful output factor was obtained when the doping amount of Sr 2+ was 10 mol% or less based on the total mol of Sm and Sr of 100 mol%. Further, experimental results were obtained in which the output factor was further improved by doping Sr 2+ ions alone without doping Fe 3+ ions.

また、Fe3+イオンを同時ドーピングする場合においても、本発明による熱電組成物で、Fe3+とSr2+のドーピング量が各々CoとSmを6モル%と4モル%だけを上限にして置換されるように定める場合において、最も優れる出力因子値を表し、これはサマリウム−コバルト系熱電組成物の実用的な意味がある結果であることに注目すべきである。 Even in the case of simultaneous doping with Fe 3+ ions, the doping amounts of Fe 3+ and Sr 2+ are replaced with Co and Sm up to 6 mol% and 4 mol%, respectively, in the thermoelectric composition according to the present invention. In this case, it should be noted that it represents the best output factor value, which is a practical result of the samarium-cobalt thermoelectric composition.

以上、本発明をその実施形態に基づいて説明したが、本実施形態に限定して解釈されてはならず、本発明の範囲は特許請求範囲に基づいて解釈されるべきである。


As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the embodiment, it should not be interpreted limited to this embodiment, and the scope of the present invention should be interpreted based on a claim.


Claims (4)

サマリウム−コバルト系熱電組成物Sm 1−x Sr Co 1−y Fe であって、
前記サマリウムの一部はストロンチウムに置換され、前記コバルトの一部は鉄に置換され
前記コバルトの一部を置換する鉄はコバルトと鉄との合算モルを100モル%にする時、0超過10モル%以下の範囲であることを特徴とする、向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物Sm 1−x Sr Co 1−y Fe
A samarium-cobalt-based thermoelectric composition Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 ,
A portion of the samarium is replaced with strontium, a portion of the cobalt is replaced with iron ,
Samarium-cobalt having an improved output factor, wherein the iron replacing a part of cobalt is in the range of more than 0 and not more than 10 mol% when the total mol of cobalt and iron is 100 mol% System thermoelectric composition Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 .
前記置換されるストロンチウムの量はサマリウムとストロンチウムとの合算モルを100モル%にする時、0超過10モル%以下の範囲であることを特徴とする、請求項1に記載の向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物Sm 1−x Sr Co 1−y Fe The improved output factor according to claim 1, wherein the amount of strontium to be substituted is in the range of more than 0 and less than 10 mol% when the total mol of samarium and strontium is 100 mol%. cobalt-based thermoelectric composition Sm 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3 - samarium with. 前記置換されるストロンチウムの量はサマリウムとストロンチウムとの合算モルを100モル%にする時、0超過4モル%以下の範囲であり、前記置換される鉄の量はコバルトと鉄との合算モルを100モル%にする時、0超過6モル%以下の範囲であり、前記ストロンチウムと鉄は同時ドーピングされることを特徴とする、請求項1に記載の向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物Sm 1−x Sr Co 1−y Fe The amount of strontium substituted is in the range of more than 0 and less than 4 mol% when the total mol of samarium and strontium is 100 mol%, and the amount of iron to be substituted is the total mol of cobalt and iron. The samarium-cobalt-based thermoelectric power having an improved power factor according to claim 1, wherein when the amount is 100 mol%, it is in the range of more than 0 to 6 mol%, and the strontium and iron are co-doped. Composition Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 . ストロンチウムのドーピング量はサマリウムとストロンチウムとの合算モルを100モル%にする時、2モル%添加して向上した出力因子を表すことを特徴とする、請求項1に記載の向上した出力因子を有するサマリウム−コバルト系熱電組成物Sm 1−x Sr Co 1−y Fe
2. The improved power factor according to claim 1, wherein the doping amount of strontium represents an improved power factor by adding 2 mol% when the total mole of samarium and strontium is 100 mol%. Samarium-cobalt thermoelectric composition Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 .
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