JP6718800B2 - Sulfide, semiconductor material, and thermoelectric conversion material - Google Patents

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本発明は、硫化物、半導体材料、及び熱電変換材料に関する。 The present invention relates to sulfides, semiconductor materials, and thermoelectric conversion materials.

近年、硫化物は、半導体材料、特に熱電変換材料として注目されている。熱電変換材料は、ゼーベック効果により材料両端の温度差によって電圧を生じさせ熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、又は、ペルチェ効果により電気エネルギーによって温度差を生じさせる材料である。熱電変換材料としては、熱エネルギーの高い方から低い方へ電子の移動により電流が生じるn型熱電変換材料と、正孔の移動により電流が生じるp型熱電変換材料とが存在する。熱電変換材料としては、合金系熱電変換材料、シリサイド系熱電変換材料、テルル系熱電変換材料、及び酸化物系熱電変換材料が知られている。 In recent years, sulfides have attracted attention as semiconductor materials, especially as thermoelectric conversion materials. The thermoelectric conversion material is a material that causes voltage to be generated by the temperature difference between both ends of the material by the Seebeck effect to convert thermal energy into electric energy, or causes temperature difference by electric energy by the Peltier effect. As the thermoelectric conversion material, there are an n-type thermoelectric conversion material in which an electric current is generated by the movement of electrons from a higher thermal energy to a lower thermal energy and a p-type thermoelectric conversion material in which a current is generated by the movement of holes. As a thermoelectric conversion material, an alloy thermoelectric conversion material, a silicide thermoelectric conversion material, a tellurium thermoelectric conversion material, and an oxide thermoelectric conversion material are known.

近年、特に熱電変換材料として注目されている硫化物は、銅とその他の金属を含む硫化物である。例えば、非特許文献1〜3には、それぞれ、コルーサイト構造を有するCu262632(M=Ge,Sn)、コルーサイト構造を有するCu26-XZnX2632、及びCu12-xNixSb413 tetrahedriteの熱電特性が報告されている。また、特許文献1には、所定の結晶構造を有し、銅と、第1遷移元素又はpブロック元素である、銅以外の少なくとも一つの金属とを主成分として含む複合金属硫化物でできた、熱電変換材料が記載されている。 In recent years, a sulfide that has been attracting attention as a thermoelectric conversion material is a sulfide containing copper and other metals. For example, in Non-Patent Documents 1 to 3, Cu 26 V 2 M 6 S 32 (M=Ge, Sn) having a corusite structure and Cu 26-X Zn X V 2 M 6 S having a corusite structure, respectively. 32 , and the thermoelectric properties of Cu 12-x Ni x Sb 4 S 13 tetrahedrite have been reported. Further, Patent Document 1 is made of a composite metal sulfide having a predetermined crystal structure and containing copper and at least one metal other than copper, which is a first transition element or a p-block element, as main components. , Thermoelectric conversion materials are described.

一方、太陽電池材料は、紫外線、可視光線又は赤外線などの光を吸収して、光起電力効果により光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料である。太陽電池材料としては、シリコン又はガリウムヒ素などを用いた材料が実用化されているが、近年では銅―インジウム―セレン硫化物(CIS)又は銅―亜鉛―スズ硫化物(CZTS)などの材料に関する研究が盛んである。 On the other hand, a solar cell material is a material that absorbs light such as ultraviolet light, visible light, or infrared light and converts light energy into electric energy by the photovoltaic effect. As a solar cell material, a material using silicon or gallium arsenide has been put into practical use, but in recent years, it relates to a material such as copper-indium-selenium sulfide (CIS) or copper-zinc-tin sulfide (CZTS). Research is active.

特開2016−48730号公報JP, 2016-48730, A

Applied Physics Letters,(米), 2014, Vol. 105, 132107Applied Physics Letters, (US), 2014, Vol. 105, 132107 Journal of Applied Physics,(米), 2014, Vol. 116, 063706Journal of Applied Physics, (US), 2014, Vol. 116, 063706 Journal of Applied Physics,(米), 2013, Vol. 113, 043712Journal of Applied Physics, (US), 2013, Vol. 113, 043712

特許文献1の記載によれば、熱電変換材料として有利な特性を有する別の新規な硫化物を案出する余地がある。非特許文献1〜3に記載の材料は、バナジウム(V)又はアンチモン(Sb)等の毒性を有する金属を含む必要がある。 According to the description of Patent Document 1, there is room for devising another novel sulfide having advantageous properties as a thermoelectric conversion material. The materials described in Non-Patent Documents 1 to 3 need to include a metal having toxicity such as vanadium (V) or antimony (Sb).

現在、使用されているエネルギーの6割以上は熱として廃棄されており、その廃棄されている熱の7割以上は、中低温廃熱であるといわれている。このため、経済的観点から、中低温の温度範囲(例えば、室温〜400℃)で高い熱電特性を有する熱電変換材料が望まれている。テルル系の熱電変換材料は、中低温の温度範囲で高い熱電特性を有する。しかし、テルル単体及びテルル化合物は高い毒性を有し、テルルは希少元素であるので、テルル系の熱電変換材料は一般的な用途で普及しにくい側面を有する。 Currently, 60% or more of the energy used is discarded as heat, and 70% or more of the discarded heat is said to be low-temperature waste heat. Therefore, from an economical point of view, a thermoelectric conversion material having high thermoelectric properties in a medium to low temperature range (for example, room temperature to 400°C) is desired. The tellurium-based thermoelectric conversion material has high thermoelectric properties in the medium to low temperature range. However, since tellurium simple substance and tellurium compound have high toxicity and tellurium is a rare element, tellurium-based thermoelectric conversion materials are difficult to be widely used for general applications.

そこで、本発明は、バナジウム、アンチモン、及びテルルを含まなくても、中低温の温度範囲において高い熱電特性を発揮するのに有利で新規な硫化物を提供する。 Therefore, the present invention provides a novel sulfide that is advantageous in exhibiting high thermoelectric properties in the medium to low temperature range without containing vanadium, antimony, and tellurium.

本発明は、
CuKα線を用いて得られたX線回折パターンにおいて、2θ=16.35°±0.1°、2θ=18.32°±0.1°、及び2θ=20.05°±0.1°の回折ピークを有し、銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む結晶構造を有する、硫化物を提供する。
The present invention is
In the X-ray diffraction pattern obtained using CuKα rays, 2θ=16.35°±0.1°, 2θ=18.32°±0.1°, and 2θ=20.05°±0.1° A sulfide having a diffraction peak of, and a crystal structure containing copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element is provided.

本発明は、
銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む結晶構造を有する、硫化物を提供する。
The present invention is
Provided is a sulfide having a crystal structure containing copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element.

本発明は、
上記の硫化物を含む、半導体材料を提供する。
The present invention is
Provided is a semiconductor material containing the above sulfide.

本発明は、
上記の硫化物を含む、熱電変換材料を提供する。
The present invention is
Provided is a thermoelectric conversion material containing the above sulfide.

上記の硫化物は、バナジウム、アンチモン、及びテルルを含まなくても、中低温の温度範囲において熱電変換材料として有利な特性を有する。 The above-mentioned sulfide has advantageous properties as a thermoelectric conversion material in the medium to low temperature range even if it does not contain vanadium, antimony, and tellurium.

実施例1に係る硫化物のX線回折パターンを示すグラフThe graph which shows the X-ray-diffraction pattern of the sulfide which concerns on Example 1. Cu13MoSn316の組成を有する硫化物のX線回折パターンのシミュレーション結果を示すグラフA graph showing a simulation result of an X-ray diffraction pattern of a sulfide having a composition of Cu 13 MoSn 3 S 16.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In addition, the following description relates to an example of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

本発明に係る硫化物は、CuKα線を用いて得られたX線回折パターンにおいて、2θ=16.35°±0.1°、2θ=18.32°±0.1°、及び2θ=20.05°±0.1°の回折ピークを有し、銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む結晶構造を有する、硫化物である。この硫化物は、バナジウム、アンチモン、及びテルルを含まなくても、中低温の温度範囲において熱電変換材料として有利な特性を有する。本発明に係る硫化物のCuKα線を用いて得られたX線回折パターンは上記以外の回折ピークを有していてもよい。 The sulfide according to the present invention is 2θ=16.35°±0.1°, 2θ=18.32°±0.1°, and 2θ=20 in the X-ray diffraction pattern obtained using CuKα radiation. It is a sulfide that has a diffraction peak of 0.05°±0.1° and has a crystal structure containing copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element. This sulfide has advantageous properties as a thermoelectric conversion material in the temperature range of medium to low temperature, even if it does not contain vanadium, antimony, and tellurium. The X-ray diffraction pattern obtained using the CuKα ray of the sulfide according to the present invention may have diffraction peaks other than the above.

別の観点から、本発明に係る硫化物は、銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む、コルーサイト(colusite)型の結晶構造を有する。この硫化物は、バナジウム、アンチモン、及びテルルを含まなくても、中低温の温度範囲において熱電変換材料として有利な特性を有する。硫化物の結晶構造は、例えば、硫化物のX線回折パターンを得ることによって決定できる。この場合、X線として例えばCuKα線が用いられる。コルーサイト型の結晶構造は、例えば、CuKα線を用いて得られたX線回折パターンにおいて、2θ=16.35°±0.1°、2θ=18.32°±0.1°、及び2θ=20.05°±0.1°の回折ピークを有する。 From another point of view, the sulfide according to the present invention has a colusite type crystal structure containing copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element. This sulfide has advantageous properties as a thermoelectric conversion material in the temperature range of medium to low temperature, even if it does not contain vanadium, antimony, and tellurium. The crystal structure of sulfide can be determined, for example, by obtaining an X-ray diffraction pattern of sulfide. In this case, for example, CuKα rays are used as the X-rays. For example, in the X-ray diffraction pattern obtained by using CuKα rays, the corusite-type crystal structure has 2θ=16.35°±0.1°, 2θ=18.32°±0.1°, and 2θ. =20.05°±0.1°.

硫化物の結晶構造に含まれる6族金属元素は、望ましくは、モリブデン及びタングステンの少なくともいずれか1つを含む。これにより、硫化物が、中低温の温度範囲において熱電変換材料として有利な特性を有しやすい。 The Group 6 metal element contained in the crystal structure of sulfide desirably contains at least one of molybdenum and tungsten. As a result, the sulfide is likely to have advantageous properties as a thermoelectric conversion material in the medium to low temperature range.

硫化物の結晶構造に含まれる6族金属元素は、より望ましくは、モリブデンを含む。これにより、硫化物が、より確実に、中低温の温度範囲において熱電変換材料として有利な特性を有しやすい。 The Group 6 metal element contained in the crystal structure of sulfide more preferably contains molybdenum. As a result, the sulfide is more likely to have advantageous characteristics as a thermoelectric conversion material in the medium to low temperature range.

硫化物の結晶構造には、望ましくは、鉛、アンチモン、セレン、テルル、及びバナジウムが含まれていない。これにより、鉛、アンチモン、セレン、テルル、及びバナジウムの単体又はこれらの元素を含む化合物を使用せずに硫化物を製造できるので、硫化物を安全に製造しやすい。また、毒性物質を使用せずに硫化物を製造できるので、材料による環境汚染を防止できる。 The sulfide crystal structure desirably does not include lead, antimony, selenium, tellurium, and vanadium. This makes it possible to produce a sulfide without using a simple substance of lead, antimony, selenium, tellurium, and vanadium or a compound containing these elements, and thus it is easy to produce a sulfide safely. Moreover, since sulfides can be produced without using toxic substances, environmental pollution due to materials can be prevented.

上記の硫化物は、半導体材料又は熱電変換材料として使用できる。このため、本発明の半導体材料は、上記の硫化物を含む。また、本発明の熱電変換材料は、上記の硫化物を含む。 The above sulfide can be used as a semiconductor material or a thermoelectric conversion material. Therefore, the semiconductor material of the present invention contains the above sulfide. Further, the thermoelectric conversion material of the present invention contains the above sulfide.

上記の硫化物は、場合によっては、熱電変換材料以外の半導体材料として、太陽電池などの光電池の材料としても利用可能である。 In some cases, the above-mentioned sulfide can be used as a semiconductor material other than the thermoelectric conversion material and also as a material for a photovoltaic cell such as a solar cell.

熱電変換材料の性能を示す指標として無次元性能指数ZT及びパワーファクターPFが知られている。ここで、Zは性能指数を意味し、K-1の次元を有する。また、Tは絶対温度を意味する。無次元性能指数ZTの値が大きいほど、熱電変換材料が高い性能を示す。熱電変換材料の無次元性能指数ZT及びパワーファクターPFは、それぞれ以下の式(1)及び式(2)で定義される。α、σ、及びκは、それぞれ、熱電変換材料の、ゼーベック係数、電気伝導率、及び熱伝導率を意味する。
ZT=α2σT/κ (1)
PF=α2σ (2)
The dimensionless figure of merit ZT and the power factor PF are known as indexes showing the performance of thermoelectric conversion materials. Here, Z means a figure of merit and has a dimension of K -1 . Further, T means absolute temperature. The larger the dimensionless figure of merit ZT, the higher the performance of the thermoelectric conversion material. The dimensionless figure of merit ZT and the power factor PF of the thermoelectric conversion material are defined by the following equations (1) and (2), respectively. α, σ, and κ mean the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity of the thermoelectric conversion material, respectively.
ZT=α 2 σT/κ (1)
PF=α 2 σ (2)

熱電変換材料は、例えば、40〜50℃において0.05より大きい無次元性能指数ZTを有する。このように、上記の硫化物を含む熱電変換材料は、中低温の温度範囲において高い熱電特性を発揮できる。 The thermoelectric conversion material has a dimensionless figure of merit ZT of more than 0.05 at 40 to 50°C, for example. As described above, the thermoelectric conversion material containing the above-mentioned sulfide can exhibit high thermoelectric characteristics in the medium to low temperature range.

硫化物の結晶構造には、銅、スズ及び/又はゲルマニウム、6族金属元素、及び硫黄以外の元素が含まれてもよい。例えば、硫化物の結晶構造に含まれていてもよい、銅、スズ及び/又はゲルマニウム、6族金属元素、及び硫黄以外の元素の原子数は、硫化物の結晶構造に含まれている全ての元素の原子数の10%以下である。硫化物の結晶構造は、望ましくは、銅、スズ及び/又はゲルマニウム、6族金属元素、及び硫黄のみを含んでいる。 The crystal structure of sulfide may include an element other than copper, tin and/or germanium, a Group 6 metal element, and sulfur. For example, the number of atoms of elements other than copper, tin and/or germanium, Group 6 metal elements, and sulfur which may be included in the crystal structure of sulfide includes all atoms included in the crystal structure of sulfide. It is 10% or less of the number of atoms of the element. The crystal structure of the sulfide desirably contains only copper, tin and/or germanium, a Group 6 metal element, and sulfur.

次に、本発明に係る硫化物の製造方法の一例を説明する。本発明の硫化物の製造方法は、銅、スズ及び/又はゲルマニウム、6族金属元素、及び硫黄を含む原料を混合する混合工程と、その混合工程により得られた混合物を焼結する焼結工程と、を備える。混合工程において、硫黄、銅、スズ及び/又はゲルマニウム、並びに6族金属元素の原料となる単体又は化合物が所定の質量比で混合される。原料の形状及び大きさは、特に制限されず、ある程度の大きさを有する塊であってもよいし、粒体又は粉体であってもよい。原料を混合する方法は、特に制限されず、例えば、遊星ボールミル、ビーズミル、又は粉体ミキサーなどを用いて粉砕混合を行う方法などが考えられる。これにより、原料を粉砕しつつ、均一に混合することができる。原料を混合する方法としては、粉砕混合による方法以外に、乾式混合又は湿式混合として知られている公知の方法を用いることもできる。 Next, an example of the method for producing a sulfide according to the present invention will be described. The method for producing a sulfide of the present invention includes a mixing step of mixing raw materials containing copper, tin and/or germanium, a Group 6 metal element, and sulfur, and a sintering step of sintering the mixture obtained by the mixing step. And In the mixing step, sulfur, copper, tin and/or germanium, and a simple substance or a compound as a raw material of the Group 6 metal element are mixed in a predetermined mass ratio. The shape and size of the raw material are not particularly limited, and may be a lump having a certain size, or a granule or a powder. The method of mixing the raw materials is not particularly limited, and for example, a method of pulverizing and mixing using a planetary ball mill, a bead mill, a powder mixer, or the like can be considered. This allows the raw materials to be crushed and uniformly mixed. As a method of mixing the raw materials, a known method known as dry mixing or wet mixing can be used in addition to the method of pulverizing and mixing.

また、本発明に係る硫化物は溶液中で合成されてもよい。例えば、金属の硝酸塩、金属の塩化物、若しくは金属の酢酸塩などの金属塩の水溶液又は金属アセチルアセトナートなどの金属錯体の水溶液に硫化剤を加えることによって、複合金属硫化物を合成できる。この場合、硫化剤としては、例えば、硫化ナトリウム若しくは硫化カリウムなどのアルカリ金属の硫化物、アルカリ土類金属の硫化物、硫化アンモニウムなどのアンモニウムイオンの硫化物、又はチオ尿素若しくはチオアセトアミド等の含硫黄有機化合物などの化合物が挙げられる。また、硫化物は、金属イオンが溶解している水溶液に適切な水素イオン濃度のもとで硫化水素ガスを吹き込んで複合金属硫化物の沈殿物を生じさせることによっても得ることができる。 Further, the sulfide according to the present invention may be synthesized in solution. For example, a composite metal sulfide can be synthesized by adding a sulfiding agent to an aqueous solution of a metal salt such as a metal nitrate, a metal chloride, or a metal acetate or an aqueous solution of a metal complex such as a metal acetylacetonate. In this case, examples of the sulfiding agent include sulfides of alkali metals such as sodium sulfide and potassium sulfide, sulfides of alkaline earth metals, sulfides of ammonium ions such as ammonium sulfide, and thiourea or thioacetamide. Compounds such as sulfur organic compounds may be mentioned. Further, the sulfide can also be obtained by blowing hydrogen sulfide gas into an aqueous solution in which metal ions are dissolved under an appropriate hydrogen ion concentration to generate a precipitate of a composite metal sulfide.

本発明に係る硫化物は、有機溶媒中で合成されてもよい。この場合、硫化物の一次粒子の粒径を数ナノメールまで小さくすることができる。例えば、トリエチレンテトラミン若しくはオクチルアミンなどのアミン系溶媒、又は、オクタンチオール若しくはデカンチオールなどのチオール系溶媒中に、金属の硝酸塩、金属塩化物、若しくは金属カルボン酸塩などの金属塩又は金属アセチルアセトナートなどの金属錯体と、チオ尿素、チオアセトアミド、若しくはジチオカルバミン酸などの含硫黄有機化合物又は硫黄粉末とを所定量混合し還流することによって、硫化物を得ることができる。 The sulfide according to the present invention may be synthesized in an organic solvent. In this case, the particle size of the primary particles of sulfide can be reduced to several nanomail. For example, in an amine solvent such as triethylenetetramine or octylamine, or in a thiol solvent such as octanethiol or decanethiol, a metal salt such as metal nitrate, metal chloride, or metal carboxylate or metal acetylacetate. A sulfide can be obtained by mixing a metal complex such as nato and a sulfur-containing organic compound such as thiourea, thioacetamide, or dithiocarbamic acid or a sulfur powder in a predetermined amount and refluxing the mixture.

本発明に係る硫化物は、水熱合成によって合成されてもよい。この場合、銅化合物、スズ及び/又はゲルマニウムの化合物、6族金属元素の化合物、及び硫黄化合物又は単体の硫黄を水中に添加しつつ混合して混合液を調製する。所定の温度及び所定の圧力の環境にその混合液を所定期間置いて水熱合成を行う。これにより、硫化物を合成できる。この方法に使用される銅化合物は、例えば、CuCl及びCuCl2等の塩化物、Cu(NO32等の硝酸銅、又はCu(CH3COO)及びCu(CH3COO)2等のカルボン酸銅である。この方法に使用されるスズ又はゲルマニウムの化合物は、例えば、SnCl2、SnCl4、GeCl2、GeCl4等の塩化物、スズ若しくはゲルマニウムの硝酸化合物、又はスズ若しくはゲルマニウムのカルボン酸化合物である。この方法に使用される6族金属元素の化合物は、例えば、6族金属元素の塩化物、硝酸化合物、又はカルボン酸化合物である。この方法に使用される硫黄化合物は、例えば、チオ尿素及びチオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。混合液の調製は、例えば、常温(20℃±15℃:日本工業規格JIS Z 8703)及び常圧の環境で行われる。 The sulfide according to the present invention may be synthesized by hydrothermal synthesis. In this case, a copper compound, a compound of tin and/or germanium, a compound of a Group 6 metal element, and a sulfur compound or elemental sulfur are added to water and mixed to prepare a mixed solution. Hydrothermal synthesis is performed by leaving the mixed solution in an environment of a predetermined temperature and a predetermined pressure for a predetermined period. Thereby, sulfide can be synthesized. The copper compound used in this method includes, for example, chlorides such as CuCl and CuCl 2, copper nitrate such as Cu(NO 3 ) 2 or carvone such as Cu(CH 3 COO) and Cu(CH 3 COO) 2. It is acid copper. The tin or germanium compound used in this method is, for example, a chloride such as SnCl 2 , SnCl 4 , GeCl 2 , or GeCl 4 , a nitric acid compound of tin or germanium, or a carboxylic acid compound of tin or germanium. The compound of the Group 6 metal element used in this method is, for example, a chloride, a nitric acid compound, or a carboxylic acid compound of the Group 6 metal element. The sulfur compounds used in this method are, for example, organic sulfur compounds such as thiourea and thioacetamide. The mixed liquid is prepared, for example, in an environment of normal temperature (20° C.±15° C.: Japanese Industrial Standard JIS Z 8703) and normal pressure.

上記の方法における水熱合成が行われる環境の温度は、例えば120〜300℃であり、望ましくは150〜250℃である。また、この環境の圧力は、例えばゲージ圧で0.1〜5MPa(メガパスカル)であり、望ましくは0.2〜3MPaである。 The temperature of the environment in which the hydrothermal synthesis is performed in the above method is, for example, 120 to 300°C, preferably 150 to 250°C. The pressure of this environment is, for example, 0.1 to 5 MPa (megapascal) in gauge pressure, and preferably 0.2 to 3 MPa.

水溶液中又は有機溶媒中で得られた硫化物は、ろ過又は遠心分離などの固液分離方法によって水溶液中又は有機溶媒中から分離される。この場合、硫化物の粒子の表面には、水溶液、有機溶媒、又は原料に由来する不純物である分子が付着しているので、以下に述べる焼結工程の前に、洗浄又は仮焼成などの公知の方法で不純物を硫化物の粒子から取り除いておくことが好ましい。例えば、水溶液中又は有機溶媒中で得られた硫化物に、以下に述べる焼結工程を施して硫化物の焼結体を製造できる。 The sulfide obtained in the aqueous solution or in the organic solvent is separated from the aqueous solution or the organic solvent by a solid-liquid separation method such as filtration or centrifugation. In this case, since molecules of impurities derived from the aqueous solution, the organic solvent, or the raw material are attached to the surface of the sulfide particles, it is necessary to perform washing or calcination before the sintering step described below. It is preferable to remove impurities from the sulfide particles by the method described above. For example, the sulfide obtained in an aqueous solution or in an organic solvent can be subjected to a sintering step described below to produce a sulfide sintered body.

焼結工程において、原料を混合することによって得られた混合物又は合成された硫化物は所定の形状の型に充填され、加圧されながら焼結される。このように、混合物又は合成された硫化物を加圧しながら焼結する方法としては、例えば、放電プラズマ焼結(Spark Plasma Sintering)を用いることができる。焼結温度は特に制限されないが、例えば、150℃〜1500℃であり、好ましくは、200℃〜1000℃である。焼結時間は、例えば、0分〜10分であり、好ましくは、0〜5分である。また、焼結工程の開始から焼結工程中の最高温度に到達するまでに必要な昇温時間は、例えば、2分〜10分である。例えば、混合物又は合成された硫化物が充填された型の内部の温度を上記の昇温速度で最高温度まで昇温させ、型の内部の温度を最高温度で所定の時間(焼結時間)だけ維持し、その後加熱を停止して焼結体を自然冷却させる。このように、焼結時間を短くすることによって、一次粒子サイズを維持させたまま焼結することが可能となる。これにより、熱伝導率を下げ性能指数を向上させることができる。焼結工程中に混合物又は合成された硫化物を加圧する圧力は、例えば0.5MPa〜100MPaであり、好ましくは、5MPa〜50MPaである。この焼結工程は、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気において行うことができる。この焼結工程は、好ましくは、真空雰囲気で行われる。このようにして、硫化物の焼結体を得ることができる。このように、原料の混合物又は合成された硫化物が加圧しながら焼結されることによって、高い機械的強度を有する材料を製造できる。 In the sintering step, the mixture obtained by mixing the raw materials or the synthesized sulfide is filled in a mold having a predetermined shape and sintered while being pressurized. As a method of sintering the mixture or the synthesized sulfide while pressurizing in this manner, for example, spark plasma sintering (Spark Plasma Sintering) can be used. The sintering temperature is not particularly limited, but is, for example, 150°C to 1500°C, preferably 200°C to 1000°C. The sintering time is, for example, 0 minutes to 10 minutes, and preferably 0 minutes to 5 minutes. In addition, the temperature rising time required from the start of the sintering process to reaching the maximum temperature during the sintering process is, for example, 2 minutes to 10 minutes. For example, the temperature inside the mold filled with the mixture or the synthesized sulfide is raised to the maximum temperature at the above-mentioned heating rate, and the temperature inside the mold is kept at the maximum temperature for a predetermined time (sintering time). After that, the heating is stopped and the sintered body is naturally cooled. Thus, by shortening the sintering time, it becomes possible to perform sintering while maintaining the primary particle size. Thereby, the thermal conductivity can be lowered and the figure of merit can be improved. The pressure for pressurizing the mixture or the synthesized sulfide during the sintering step is, for example, 0.5 MPa to 100 MPa, preferably 5 MPa to 50 MPa. This sintering process can be performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. This sintering step is preferably performed in a vacuum atmosphere. In this way, a sulfide sintered body can be obtained. In this way, a material having high mechanical strength can be manufactured by sintering the mixture of raw materials or the synthesized sulfide while pressurizing.

以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例であり、本発明は以下の実施例に限定されない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples. The following examples are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
銅粉末1.38g、スズ粉末0.60g、モリブデン粉末0.16g、及び硫黄粉末0.86gをレッチェ製遊星ボールミルに仕込み、遊星ボールミルを300rpm(rotations per minute)で9分間回転させた後1分間ボールミルを停止する操作を3時間繰り返して混合粉体を得た。得られた混合粉体を、放電プラズマ焼結装置(シンターランド社製、型番:LABOX−125)を用いて焼結した。0.75gの混合粉体を内径10mmの円筒状のダイに仕込み、450℃まで100℃/分でダイの温度を昇温させ、500℃まで50℃/分でダイの温度を昇温させ、500℃で2分間ダイの温度を保つことにより、混合粉体の焼結を行った。JIS R 6001:1998に基づく粒度が♯2000である回転研磨機によって焼結により得られたペレットの両面を研磨し、約2mmの厚さの実施例1に係る熱電変換特性評価用サンプルを得た。
<Example 1>
1.38 g of copper powder, 0.60 g of tin powder, 0.16 g of molybdenum powder, and 0.86 g of sulfur powder were charged into a Lecce planetary ball mill, and the planetary ball mill was rotated at 300 rpm (rotations per minute) for 9 minutes, and then for 1 minute. The operation of stopping the ball mill was repeated for 3 hours to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was sintered using a discharge plasma sintering device (manufactured by Sinterland Co., model number: LABOX-125). 0.75 g of the mixed powder was charged into a cylindrical die having an inner diameter of 10 mm, the temperature of the die was raised to 450° C. at 100° C./min, and the temperature of the die was raised to 500° C. at 50° C./min. The mixed powder was sintered by maintaining the die temperature at 500° C. for 2 minutes. Both sides of the pellet obtained by sintering were polished by a rotary polishing machine having a particle size of #2000 based on JIS R 6001:1998 to obtain a sample for thermoelectric conversion characteristic evaluation of Example 1 having a thickness of about 2 mm. ..

得られた熱電変換特性評価用サンプルの42.6℃における無次元性能指数(ZT)を求めたところ、8.23×10‐2であった。ここで、実施例1の熱電変換特性評価サンプルについて、四端子測定法によって42.6℃、113℃、208℃、305℃、及び404℃での電気抵抗率を測定し、各温度における電気抵抗率の逆数として各温度における電気伝導率σを求めた。また、実施例1の熱電変換特性評価サンプルについて、レーザーフラッシュ法により、室温(約27℃)での熱伝導率κを測定した。この測定には、京都電子工業社製のレーザーフラッシュ法熱物性測定装置LFA-502を用いた。さらに、実施例1の熱電変換特性評価サンプルの平均温度が42.6℃、113℃、208℃、305℃、及び404℃となるように一部を温め、別の一部を冷やすことによって、実施例1の熱電変換特性評価サンプルの上面に所定の温度差を生じさせ、この状態で起電力を測定した。実施例1の熱電変換特性評価サンプルにおける温度差及び起電力の関係を示す、縦軸を起電力とし、横軸を温度差とするグラフを作成した。このグラフの傾きから、各温度における実施例1の熱電変換特性評価サンプルのゼーベック係数を算出した。このようにして求めた、電気伝導率、熱伝導率、及びゼーベック係数に基づいて式(1)に基づいて無次元性能係数を算出した。電気伝導率及びゼーベック係数に基づいて式(2)に基づいてパワーファクターPFを算出した。結果を表1に示す。 The dimensionless figure of merit (ZT) at 42.6° C. of the obtained thermoelectric conversion characteristic evaluation sample was 8.23×10 −2 . Here, for the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1, the electrical resistivity at 42.6°C, 113°C, 208°C, 305°C, and 404°C was measured by the four-terminal measurement method, and the electrical resistance at each temperature was measured. The electrical conductivity σ at each temperature was obtained as the reciprocal of the rate. Further, the thermal conductivity κ at room temperature (about 27° C.) of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1 was measured by the laser flash method. For this measurement, a laser flash thermophysical property analyzer LFA-502 manufactured by Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd. was used. Furthermore, by heating one part so that the average temperature of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1 is 42.6°C, 113°C, 208°C, 305°C, and 404°C, and cooling another part, A predetermined temperature difference was generated on the upper surface of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1, and the electromotive force was measured in this state. A graph showing the relationship between the temperature difference and the electromotive force in the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1, in which the vertical axis represents the electromotive force and the horizontal axis represents the temperature difference, was created. From the slope of this graph, the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample of Example 1 at each temperature was calculated. The dimensionless performance coefficient was calculated based on the equation (1) based on the electric conductivity, the thermal conductivity, and the Seebeck coefficient thus obtained. The power factor PF was calculated based on the equation (2) based on the electric conductivity and the Seebeck coefficient. The results are shown in Table 1.

<X線回折パターン>
X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)を用いて、実施例1に係る熱電変換特性評価サンプルのX線回折パターンを得た。X線としてはCuKα線を用いた。実施例1に係る熱電変換特性評価サンプルのX線回折パターンを図1に示す。
<X-ray diffraction pattern>
An X-ray diffraction pattern of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample according to Example 1 was obtained using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, product name: MiniFlex600). CuKα ray was used as the X-ray. The X-ray diffraction pattern of the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample according to Example 1 is shown in FIG.

国際回析データセンター(ICDD:International Centre for Diffraction Data:ICDD)のPDF-4に収載されている、04-009-4458において、コルーサイト構造を有するCu13VSnAs216のバナジウム及びヒ素をそれぞれモリブデン及びスズに置換し、BIOVIA社の分子構造解析ソフトウェアCASTEPを用いて、対称性を保ったままセル定数及び原子位置の最適化を行ってシミュレーション用の結晶構造モデルを決定した。RietanFPを用いて、決定した結晶構造モデルのX線回折パターンのシミュレーションを行った。その結果を、図2に示す。図1に示すXRDパターンの結果は、図2に示すシミュレーション結果に概ね対応しており、実施例1に係る熱電変換特性評価サンプルは、コルーサイト構造を有することが示唆された。 In 04-009-4458 listed in PDF-4 of International Center for Diffraction Data (ICDD), the vanadium and arsenic of Cu 13 VSnAs 2 S 16 having a corusite structure are respectively contained. Substitution with molybdenum and tin was performed, and the molecular structure analysis software CASTEP from BIOVIA was used to optimize the cell constants and atomic positions while maintaining symmetry to determine a crystal structure model for simulation. RietanFP was used to simulate the X-ray diffraction pattern of the determined crystal structure model. The result is shown in FIG. The result of the XRD pattern shown in FIG. 1 almost corresponds to the simulation result shown in FIG. 2, and it was suggested that the thermoelectric conversion characteristic evaluation sample according to Example 1 had a corusite structure.

Figure 0006718800
Figure 0006718800

Claims (6)

CuKα線を用いて得られたX線回折パターンにおいて、2θ=16.35°±0.1°、2θ=18.32°±0.1°、及び2θ=20.05°±0.1°の回折ピークを有し、銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む結晶構造を有する、硫化物。 In the X-ray diffraction pattern obtained using CuKα ray, 2θ=16.35°±0.1°, 2θ=18.32°±0.1°, and 2θ=20.05°±0.1° Sulfide having a crystal structure containing copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element. 銅と、スズ及び/又はゲルマニウムと、6族金属元素とを含む、コルーサイト(colusite)型の結晶構造を有する、硫化物。 A sulfide having a crystal structure of a colusite type, which contains copper, tin and/or germanium, and a Group 6 metal element. 前記6族金属元素は、モリブデン及びタングステンの少なくともいずれか1つを含む、請求項1又は2に記載の硫化物。 The sulfide according to claim 1, wherein the Group 6 metal element contains at least one of molybdenum and tungsten. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の硫化物を含む、半導体材料。 A semiconductor material containing the sulfide according to claim 1. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の硫化物を含む、熱電変換材料。 A thermoelectric conversion material comprising the sulfide according to any one of claims 1 to 3. 40〜50℃において0.05より大きい無次元性能指数ZTを有する、請求項5に記載の熱電変換材料。
The thermoelectric conversion material according to claim 5, which has a dimensionless figure of merit ZT greater than 0.05 at 40 to 50°C.
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