JP6755566B2 - カルコゲン化合物、その製造方法、およびこれを含む熱電素子 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年6月30日付韓国特許出願第10−2017−0083847号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれている。
ZT=S2σT/k (数学式1)
(前記数学式1において、σは電気伝導度、Sはゼーベック係数、kは熱伝導度、Tは絶対温度である。)
[化学式1]
V1−xMxSn4Bi2Se7−yTey
前記化学式1において、Vは空孔(Vacancy)であり、Mはアルカリ金属であり、
xは0超1未満であり、yは0超1以下である。
[化学式1]
V1−xMxSn4Bi2Se7−yTey
前記化学式1において、Vは空孔であり、Mはアルカリ金属であり、
1−x、x、4、2、7−y、yは、それぞれV、M、Sn、Bi、SeおよびTeのモル比であり、この時、xは0超1未満であり、yは0超1以下である。
高純度原料物質であるNa、Sn、Bi、SeおよびTeの各粉末をグローブボックスで0.4:4:2:6.8:0.2のモル比で重量を測定してカーボンルツボ(carbon crucible)に入れた後、石英管に装入した。石英管の内部は真空して密封した。また、前記原料物質を750℃で24時間電気炉(furnace)の内部で恒温維持した後に常温で徐々に冷却させた。
高純度原料物質であるNa、Sn、Bi、SeおよびTeの各粉末をグローブボックスで0.4:4:2:6.2:0.8のモル比で混合したことを除いては、実施例1と同様の方法によりV0.6Na0.4Sn4Bi2Se6.2Te0.8のカルコゲン化合物を製造した。
高純度原料物質であるNa、Sn、Bi、SeおよびTeの各粉末をグローブボックスで0.4:4:2:6:1のモル比で混合したことを除いては、実施例1と同様の方法によりV0.6Na0.4Sn4Bi2Se6Te1のカルコゲン化合物を製造した。
高純度原料物質であるSn、BiおよびSeの各粉末をグローブボックスで4:2:7のモル比で混合したことを除いては、実施例1と同様の方法によりSn4Bi2Se7のカルコゲン化合物を製造した。
高純度原料物質であるNa、Sn、BiおよびSeの各粉末をグローブボックスで0.4:4:2:7のモル比で混合したことを除いては、実施例1と同様の方法によりV0.6Na0.4Sn4Bi2Se7のカルコゲン化合物を製造した。
高純度原料物質であるNa、Sn、BiおよびSeの各粉末をグローブボックスで1:4:2:7のモル比で混合したことを除いては、実施例1と同様の方法によりNaSn4Bi2Se7のカルコゲン化合物を製造した。
1.XRDパターンによる相分析
実施例1〜3および比較例1〜3で焼結工程直前の粉末状態のカルコゲン化合物に対して、X線回折分析を行い、その結果を図3に示した。また、空孔をすべて占めた比較例3の焼結工程直前の粉末状態に対するX線回折分析の結果を図4に示した。
TOPASプログラムを用いて実施例1〜3および比較例1、2の各粉末状態のカルコゲン化合物に対して格子定数を計算し、これを下記表1に示す。
前記実施例1〜3および比較例2で製造したカルコゲン化合物試験片に対して電気伝導度を温度変化に応じて測定して図6に示す。このような電気伝導度は、比抵抗測定装備であるLinseis社のLSR−3を用いて、直流4探針法により50〜300℃の温度領域で測定した。
実施例1〜3および比較例2で製造したカルコゲン化合物試験片に対してゼーベック係数(S)を温度変化に応じて測定し、その結果を図7に示す。このようなゼーベック係数は、測定装備としてLinseis社のLSR−3を用いて、differential voltage/temperature techniqueを適用して50〜300℃の温度領域で測定した。
実施例1〜3および比較例2で製造したカルコゲン化合物試験片に対して出力因子を温度変化に応じて計算し、その結果を図8に示す。
実施例1〜3および比較例2で製造したカルコゲン化合物試験片に対して熱伝導度および格子熱伝導度を温度変化に応じて測定し、その結果を図9および図10にそれぞれ示す。このような熱伝導度の測定においては、先に熱伝導度測定装備であるNetzsch社のLFA457を用いてレーザー閃光法を適用して熱拡散度(D)および熱容量(Cp)を測定した。このような測定値を式「熱伝導度(Kまたは総熱伝導度(Ktot)=DρCp(ρはアルキメデス法で測定したサンプル密度である))に適用して熱伝導度(K)を算出した。
実施例1〜3および比較例2で製造したカルコゲン化合物試験片に対して熱電性能指数を温度変化に応じて計算し、その結果を図11に示す。
図11を参照すれば、Te含有量が増加するほどZT値が増加し、具体的にはSeの一部をTe1.0の組成に置換した実施例3のカルコゲン化合物の場合、50〜300℃で平均ZT値は比較例2に対して54%以上の高い値を示す。
Claims (15)
- 下記化学式1で表されるカルコゲン化合物:
[化学式1]
V1−xMxSn4Bi2Se7−yTey
前記化学式1において、Vは空孔であり、Mはアルカリ金属であり、
xは0超1未満であり、yは0超1以下である。 - 前記Mは、Li、NaおよびKからなる群より選ばれる1種以上のアルカリ金属である、請求項1に記載のカルコゲン化合物。
- 面心立方格子構造の結晶構造を有する、請求項1に記載のカルコゲン化合物。
- 前記Vは、前記面心立方格子構造で、前記Se、Sn、BiおよびTeが占めるサイトを除いた空のサイトであり、前記Mは、前記Vの一部に占められる、請求項3に記載のカルコゲン化合物。
- 前記Seは、面心立方格子構造の陰イオンサイトを占めており、前記SnおよびBiは、面心立方格子構造の陽イオンサイトを占めており、前記Vは、前記SnおよびBiが占めるサイトを除いた残りの陽イオンサイトの空のサイトであり、前記Mは、前記Vの一部に占められ、前記Teは、前記Seの一部を代替して置換された、請求項3に記載のカルコゲン化合物。
- 格子定数が5.975Å以上である、請求項3に記載のカルコゲン化合物。
- 前記xは0.05〜0.5であり、yは0.1〜1であり、x+yは0.1〜1.5である、請求項1に記載のカルコゲン化合物。
- V0.6Na0.4Sn4Bi2Se6.8Te0.2、V0.6Na0.4Sn4Bi2Se6.2Te0.8およびV0.6Na0.4Sn4Bi2Se6Te1からなる群より選ばれる、請求項1に記載のカルコゲン化合物。
- Sn、Bi、Se、Teおよびアルカリ金属(M)それぞれの原料物質を混合した後に溶融反応させる段階;
前記溶融反応の結果として収得した結果物を熱処理する段階;
前記熱処理の結果として収得した結果物を粉砕する段階;および
前記粉砕した結果物を焼結する段階
を含む、請求項1に記載のカルコゲン化合物の製造方法。 - 前記溶融は、700〜800℃の温度で行われる、請求項9に記載のカルコゲン化合物の製造方法。
- 前記熱処理は、550〜640℃の温度で行われる、請求項9に記載のカルコゲン化合物の製造方法。
- 前記熱処理段階と粉砕段階との間に、前記熱処理段階の結果物を冷却してインゴットを形成する段階をさらに含む、請求項9に記載のカルコゲン化合物の製造方法。
- 前記焼結段階は、放電プラズマ焼結法によって行われる、請求項9に記載のカルコゲン化合物の製造方法。
- 前記焼結段階は、550〜640℃の温度および10〜100MPaの圧力下で行われる、請求項9に記載のカルコゲン化合物の製造方法。
- 請求項1によるカルコゲン化合物を含む熱電素子。
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