JP5768612B2 - ナノヘテロ構造熱電材料の製造方法 - Google Patents
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互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、Bi、SbおよびPbのうちの少なくとも1種の元素を含有するTe系熱電材料の前駆体、ZnおよびCoのうちの少なくとも1種の元素を含有するSb系熱電材料の前駆体、Si−Ge系熱電材料の前駆体、Ca−Co−O系熱電材料の前駆体、In−Sn−O系熱電材料の前駆体、Nd−Ce−Cu−O系熱電材料の前駆体、Li−Ni−O系熱電材料の前駆体、Ca−Mn−In−O系熱電材料の前駆体、Zn−In−Y−O系熱電材料の前駆体、Bi−Sr−Co−O系熱電材料の前駆体、Zn−Al−O系熱電材料の前駆体、Ca−Bi−Co−O系熱電材料の前駆体、Ba−Sr−Pb−O系熱電材料の前駆体、Sr−Pb−O系熱電材料の前駆体、Na−Ag−Co−O系熱電材料の前駆体、Sr−Ti−O系熱電材料の前駆体、Nb−Sr−Ti−O系熱電材料の前駆体、Na−Co−Cu−O系熱電材料の前駆体、Na−Co−O系熱電材料の前駆体からなる群から選択される第一無機前駆体と、前記熱電材料の前駆体からなる群から選択され且つ前記第一無機前駆体と異なる第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記第一無機前駆体および前記第二無機前駆体をそれぞれ第一無機成分および第二無機成分に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記熱電材料からなる群から選択される少なくとも2種の無機成分からなるナノヘテロ構造熱電材料を得る第二の工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
前記第一無機前駆体としては、フェニル基、炭素数5以上の長鎖炭化水素鎖、シクロオクタテトラエン環、シクロペンタジエニル環、およびアミノ基からなる群から選択される少なくとも1つの構造を備える、有機金属化合物および有機半金属化合物のうちの少なくとも1種が好ましく、
前記第二無機前駆体としては、金属または半金属の塩、金属または半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド、および金属または半金属のアセチルアセトナート錯体からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
溶解度パラメータδ[(cal/cm3)1/2]=(ΔE/V)1/2
(式中、ΔEはモル蒸発エネルギー[cal]、Vはモル体積[cm3]を示す。)
に基づいて求められる値である。
互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、金属系熱電材料前駆体、半金属系熱電材料前駆体および金属酸化物系熱電材料前駆体からなる群から選択される第一無機前駆体と、金属系熱電材料前駆体、半金属系熱電材料前駆体および金属酸化物系熱電材料前駆体からなる群から選択され且つ前記第一無機前駆体と異なる第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記第一無機前駆体および前記第二無機前駆体をそれぞれ第一無機成分および第二無機成分に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、金属系熱電材料、半金属系熱電材料および金属酸化物系熱電材料からなる群から選択される少なくとも2種の無機成分からなるナノヘテロ構造熱電材料を得る第二の工程と、
を含む方法である。以下に、それぞれの工程を説明する。
係る工程は、以下に説明するブロックコポリマーと以下に説明する無機前駆体とを溶媒に溶解して原料溶液を調製する工程である。
この工程は、以下に詳述する相分離処理と変換処理と除去処理とを含み、金属系熱電材料、半金属系熱電材料および金属酸化物系熱電材料からなる群から選択される少なくとも2種の無機成分からなるナノヘテロ構造熱電材料を調製する工程である。
ブロックコポリマーとしてポリスチレン−b−ポリエチレンオキシド(PS−b−PEO、PS成分の数平均分子量:50×103、PEO成分の数平均分子量:12×103)0.1gと、Bi2Te3前駆体(Bi前駆体およびTe前駆体)としてトリフェニルビスマス(BiPh3)0.209gおよびジフェニルジテルライド(Te2Ph2)0.195gと、Sb2Te3前駆体(Sb前駆体およびTe前駆体)としてアンチモンエトキシド(Sb(EO)3)0.122gおよびテルルエトキシド(Te(EO)5)0.146gとを10mLのテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、原料溶液を得た。
式:ZT=S2σT/κ
により無次元化性能指数ZTを求めたところ、ZT=1.7であった。
ブロックコポリマーとしてポリスチレン−b−ポリエチレンオキシド(PS−b−PEO、PS成分の数平均分子量:44×103、PEO成分の数平均分子量:20×103)0.1gと、STO前駆体(Sr前駆体およびTi前駆体)としてステアリン酸ストロンチウム(Sr(C17H35COO)2)0.331gおよびシクロペンタジエニルチタニウムクロリド(Ti(CPD)Cl3)0.138gと、NbSrTiO3前駆体(Nb前駆体、Sr前駆体およびTi前駆体)としてニオブエトキシド(Nb(EO)5)0.151g、ストロンチウムイソプロポキシド(Sr(i−PO)2)0.095gおよびチタンイソプロポキシド(Ti(i−PO)4)0.135gとを10mLのテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、原料溶液を得た。
ビスマスとテルルを原子比が2:3となるように秤量し、これらを混合した。この混合物を減圧炉に入れ、炉内を0.1Paに減圧しながら700℃で加熱した後、冷却し、溶製材を得た。この溶製材をSPS法(放電プラズマ焼結法;Spark Plasma Sintering)によって高密度に成形焼結し、これを切断加工してBi2Te3熱電材料を得た。
トリメチルビスマスおよびジイソプロピルテルライドと、トリスジメチルアミノアンチモンおよびジイソプロピルテルライドとをそれぞれ原料として、MOCVD装置を用いてBi2Te3層(厚み:3nm)とSb2Te3層(厚み:3nm)とが交互に積層された人工超格子を作製した。この人工超格子について、実施例1と同様にT=300Kにおけるゼーベック係数S、電気伝導度σおよび熱伝導度κを測定し、無次元化性能指数ZTを求めたところ、ZT=1.1であった。
Claims (6)
- 互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、Bi、SbおよびPbのうちの少なくとも1種の元素を含有するTe系熱電材料の前駆体、ZnおよびCoのうちの少なくとも1種の元素を含有するSb系熱電材料の前駆体、Si−Ge系熱電材料の前駆体、Ca−Co−O系熱電材料の前駆体、In−Sn−O系熱電材料の前駆体、Nd−Ce−Cu−O系熱電材料の前駆体、Li−Ni−O系熱電材料の前駆体、Ca−Mn−In−O系熱電材料の前駆体、Zn−In−Y−O系熱電材料の前駆体、Bi−Sr−Co−O系熱電材料の前駆体、Zn−Al−O系熱電材料の前駆体、Ca−Bi−Co−O系熱電材料の前駆体、Ba−Sr−Pb−O系熱電材料の前駆体、Sr−Pb−O系熱電材料の前駆体、Na−Ag−Co−O系熱電材料の前駆体、Sr−Ti−O系熱電材料の前駆体、Nb−Sr−Ti−O系熱電材料の前駆体、Na−Co−Cu−O系熱電材料の前駆体、Na−Co−O系熱電材料の前駆体からなる群から選択される第一無機前駆体と、前記熱電材料の前駆体からなる群から選択され且つ前記第一無機前駆体と異なる第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記第一無機前駆体および前記第二無機前駆体をそれぞれ第一無機成分および第二無機成分に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記熱電材料からなる群から選択される少なくとも2種の無機成分からなるナノヘテロ構造熱電材料を得る第二の工程と、
を含むことを特徴とするナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。 - 前記第二の工程において、前記自己組織化によって、球状、柱状およびジャイロイド状からなる群から選択される形状のナノ相分離構造体を形成せしめ、前記形状のナノ相分離構造体に前記変換処理および前記除去処理を施すことによって、前記熱電材料からなる群から選択される無機成分からなるマトリックス中に、前記熱電材料からなる群から選択され且つ前記マトリックスを構成する無機成分と異なる無機成分が、球状、柱状およびジャイロイド状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しており、繰り返し構造の一単位の長さの平均値が1nm〜100nmである三次元的周期構造を有しているナノヘテロ構造熱電材料を得ることを特徴とする請求項1に記載のナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。
- 前記第一無機前駆体と前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm3)1/2以下であり、前記第二無機前駆体と前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm3)1/2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。
- 前記第一ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第一ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。
- 前記第二ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第二ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。
- 前記ブロックコポリマーが、ポリスチレン成分、ポリイソプレン成分およびポリブタジエン成分からなる群から選択される少なくとも1種の第一ポリマーブロック成分と、ポリメチルメタクリレート成分、ポリエチレンオキシド成分、ポリビニルピリジン成分およびポリアクリル酸成分からなる群から選択される少なくとも1種の第二ポリマーブロック成分とが結合してなるものであり、
前記第一無機前駆体が、フェニル基、炭素数5以上の長鎖炭化水素鎖、シクロオクタテトラエン環、シクロペンタジエニル環、およびアミノ基からなる群から選択される少なくとも1つの構造を備える、有機金属化合物および有機半金属化合物のうちの少なくとも1種であり、
前記第二無機前駆体が、金属または半金属の塩、金属または半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド、および金属または半金属のアセチルアセトナート錯体からなる群から選択される少なくとも1種である、
ことを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造熱電材料の製造方法。
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