JP7290915B2 - Sulfides, thermoelectric conversion materials, and thermoelectric conversion elements - Google Patents

Sulfides, thermoelectric conversion materials, and thermoelectric conversion elements Download PDF

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本発明は、硫化物、熱電変換材料、及び熱電変換素子に関する。 The present invention relates to sulfides, thermoelectric conversion materials, and thermoelectric conversion elements.

近年、硫化物は、特に、熱電変換材料及び太陽電池材料等の半導体材料として注目されている。太陽電池材料は、紫外線、可視光線、又は赤外線等の光を吸収し、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等を含む材料が実用化されている。一方、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)等の硫化物材料の太陽電池材料への適用に関する研究も盛んである。これらの硫化物材料は、安全かつ安価な太陽電池材料として期待されているが、シリコン系太陽電池に使われる太陽電池材料と比較すると、変換効率の点で十分とは言い難く、その特性の向上が求められている。 In recent years, sulfides have attracted particular attention as semiconductor materials such as thermoelectric conversion materials and solar cell materials. A solar cell material is a material that absorbs light such as ultraviolet light, visible light, or infrared light and converts light energy into electrical energy by the photovoltaic effect. Materials containing silicon, gallium arsenide, or the like have been put to practical use as solar cell materials. On the other hand, in recent years, there has been active research into the application of sulfide materials such as copper-indium-selenium sulfide (CIS) or copper-zinc-tin sulfide (CZTS) to solar cell materials. These sulfide materials are expected to be safe and inexpensive solar cell materials. is required.

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。近年、特に熱電変換材料として、銅とその他の金属を含む硫化物が注目されている。例えば、非特許文献1及び2には、それぞれ、コルーサイト構造を有するCu262632(M=Ge,Sn)及びコルーサイト構造を有するCu262632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1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。また、非特許文献3では、Cu2SnS3を母構造とし、Cu又はSnの一部をAlによって置換したCu5AlSn28の熱電特性が第一原理計算により予想されている。 A thermoelectric conversion material is a material that generates a voltage due to a temperature difference across the material due to the Seebeck effect and converts thermal energy into electrical energy, or that generates a temperature difference due to electrical energy due to the Peltier effect. In recent years, sulfides containing copper and other metals have attracted attention as thermoelectric conversion materials. For example, Non-Patent Documents 1 and 2 describe thermoelectric properties of Cu 26 V 2 M 6 S 32 (M=Ge, Sn) having a colusite structure and Cu 26 V 2 M 6 S 32 having a colusite structure, respectively. has been reported. In addition, in Patent Document 1, 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 p-block element, as main components , thermoelectric conversion materials are described. In addition, in Non-Patent Document 3, the thermoelectric properties of Cu5AlSn2S8 in which Cu2SnS3 is used as the base structure and part of Cu or Sn is replaced with Al are predicted by first-principles calculation.

非特許文献4、5、及び6には、それぞれ、Cu2Tl2SnS4、Cu4InxSn1-x4(x=0-0.02)、及び銅、亜鉛、及びスズを含む硫化物(CZTS)の熱電特性が報告されている。 Non-Patent Documents 4, 5, and 6 include Cu 2 Tl 2 SnS 4 , Cu 4 In x Sn 1-x S 4 (x=0-0.02), and copper, zinc, and tin, respectively. Thermoelectric properties of sulfides (CZTS) have been reported.

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 Electronic Materials,(米), 2016, Vol. 45, No.3, p. 1453-1458Journal of Electronic Materials, (USA), 2016, Vol. 45, No.3, p. 1453-1458 Chemistry of Materials,(米), 2005, Vol.17, No. 11, p. 2875-2884Chemistry of Materials, (US), 2005, Vol.17, No. 11, p.2875-2884 The Journal of Electronic Materials,(米), 2014, Vol. 43, No. 6, p. 2202-2205The Journal of Electronic Materials, (US), 2014, Vol. 43, No. 6, p. 2202-2205 Nano Letters,(米), 2012, Vol. 12, No. 2, p. 540-545Nano Letters, (US), 2012, Vol. 12, No. 2, p. 540-545

非特許文献1~6によれば、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素を含み、これらの金属の少なくとも1つが遷移金属元素で置換された硫化物の熱電特性は明らかでない。そこで、本発明は、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素を含み、これらの金属の少なくとも1つが遷移金属元素で置換され、熱電変換材料として有利な特性を有する新規の硫化物を提供する。 According to Non-Patent Documents 1 to 6, the thermoelectric properties of sulfides containing copper, tin, and typical metal elements other than tin, in which at least one of these metals is replaced with a transition metal element, are not clear. Therefore, the present invention provides a novel sulfide containing copper, tin, and typical metal elements other than tin, wherein at least one of these metals is replaced with a transition metal element, and having advantageous properties as a thermoelectric conversion material. .

本発明は、
銅と、スズと、スズ以外の少なくとも1つの典型金属元素と、少なくとも1つの遷移金属元素とを含む硫化物であって、
当該硫化物に含まれる金属の全量における前記銅の含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記スズの含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記典型金属元素の含有率が10モル%以上かつ30モル%以下であり、
前記金属の全量における前記遷移金属元素の含有率が10モル%以下であり、
前記遷移金属元素は、前記銅、前記スズ、及び前記典型金属元素の少なくとも一つを置換している、
硫化物を提供する。
The present invention
A sulfide containing copper, tin, at least one typical metal element other than tin, and at least one transition metal element,
The content of copper in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more,
The content of the tin in the total amount of the metal is 10 mol% or more,
The content of the typical metal element in the total amount of the metal is 10 mol% or more and 30 mol% or less,
The content of the transition metal element in the total amount of the metal is 10 mol% or less,
The transition metal element replaces at least one of the copper, the tin, and the typical metal element,
Provides sulfide.

また、本発明は、
上記の硫化物を含有する、熱電変換材料を提供する。
In addition, the present invention
A thermoelectric conversion material containing the above sulfide is provided.

さらに、本発明は、
上記の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子を提供する。
Furthermore, the present invention provides
Provided is a thermoelectric conversion element comprising the above thermoelectric conversion material.

上記の硫化物は、熱電変換材料として有利な特性を有する。 The above sulfides have advantageous properties as thermoelectric conversion materials.

図1Aは、本発明に係る熱電変換素子の一例を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing one example of a thermoelectric conversion element according to the present invention. 図1Bは、本発明に係る熱電変換素子の別の一例を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing another example of the thermoelectric conversion element according to the present invention. 図2Aは、実施例1に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2A is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of a sample according to Example 1. FIG. 図2Bは、実施例2に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2B is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 2. FIG. 図2Cは、実施例3に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2C is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 3. FIG. 図2Dは、実施例4に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2D is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 4. FIG. 図2Eは、実施例5に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2E is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 5. FIG. 図2Fは、実施例6に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2F is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 6. FIG. 図2Gは、実施例7に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2G is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 7. FIG. 図2Hは、実施例8に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2H is a graph showing the temperature change of the electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 8. FIG. 図2Iは、実施例9に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。2I is a graph showing changes in electrical conductivity and electrical resistivity with temperature of the sample according to Example 9. FIG. 図3Aは、実施例1に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3A is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 1. FIG. 図3Bは、実施例2に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3B is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 2. FIG. 図3Cは、実施例3に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3C is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 3. FIG. 図3Dは、実施例4に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3D is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 4. FIG. 図3Eは、実施例5に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3E is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 5. FIG. 図3Fは、実施例6に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3F is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 6. FIG. 図3Gは、実施例7に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3G is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 7. FIG. 図3Hは、実施例8に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3H is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 8. FIG. 図3Iは、実施例9に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。3I is a graph showing the temperature variation of the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 9. FIG. 図4は、実施例1~5に係るサンプル及び参考例に係るサンプルのパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the temperature change of the power factor of the samples according to Examples 1 to 5 and the sample according to the reference example. 図5Aは、実施例1に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5A is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 1. FIG. 図5Bは、実施例2に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5B is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 2. FIG. 図5Cは、実施例3に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5C is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 3. FIG. 図5Dは、実施例4に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5D is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 4. FIG. 図5Eは、実施例5に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5E is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 5. FIG. 図5Fは、実施例6に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5F is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 6. FIG. 図5Gは、実施例7に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5G is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 7. FIG. 図5Hは、実施例8に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5H is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 8. FIG. 図5Iは、実施例9に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。5I is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 9. FIG.

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。 A thermoelectric conversion material is a material that converts thermal energy into electrical energy by generating a voltage due to a temperature difference across the material by the Seebeck effect, or that generates a temperature difference by electrical energy by the Peltier effect. Thermoelectric conversion materials include n-type thermoelectric conversion materials in which current is generated by movement of electrons from higher to lower thermal energy, and p-type thermoelectric conversion materials in which current is generated by movement of holes.

熱電変換材料の性能を評価するための指標として下記の式(1)で定義される無次元性能指数ZTがある。ここで、Sはゼーベック係数を示し、σは電気伝導率を示し、Tは絶対温度を示し、κは熱伝導率を示す。熱電変換材料において無次元性能指数ZTが高いことが望ましい。
ZT=S2σT/κ (1)
As an index for evaluating the performance of thermoelectric conversion materials, there is a dimensionless figure of merit ZT defined by the following formula (1). Here, S indicates the Seebeck coefficient, σ indicates electrical conductivity, T indicates absolute temperature, and κ indicates thermal conductivity. It is desirable that the thermoelectric conversion material has a high dimensionless figure of merit ZT.
ZT=S 2 σT/κ (1)

また、熱電変換材料の性能を評価するための指標として下記の式(2)で表されるパワーファクターPFがある。パワーファクターPFが高いことは、無次元性能指数ZTを高めるうえで有利である。
PF=S2σ (2)
Moreover, there is a power factor PF represented by the following formula (2) as an index for evaluating the performance of thermoelectric conversion materials. A high power factor PF is advantageous in increasing the dimensionless figure of merit ZT.
PF=S 2 σ (2)

本発明者らは、銅、スズ、スズ以外の典型金属元素を含む硫化物に着目し、多大な試行錯誤を重ねて、これらの金属を所定の金属で置換することを試みた。その結果、熱電変換材料として有利な特性を有する硫化物を新たに見出した。 The present inventors focused on copper, tin, and sulfides containing typical metal elements other than tin, and after much trial and error, tried to replace these metals with predetermined metals. As a result, we have newly found a sulfide that has advantageous properties as a thermoelectric conversion material.

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、本発明はこれらに限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below. In addition, the following description relates to an example of the present invention, and the present invention is not limited to these.

<硫化物>
本発明の実施形態に係る硫化物は、銅と、スズと、スズ以外の少なくとも1つの典型金属元素と、少なくとも1つの遷移金属元素とを含む。この硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が10モル%以上である。この硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率が10モル%以上である。この硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が10モル%以上かつ30モル%以下である。遷移金属元素は、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の少なくとも一つを置換している。この硫化物に含まれる金属の全量における遷移金属元素の含有率が10モル%以下である。
<Sulfide>
A sulfide according to an embodiment of the present invention contains copper, tin, at least one typical metal element other than tin, and at least one transition metal element. The content of copper in the total amount of metals contained in this sulfide is 10 mol % or more. The content of tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol % or more. The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol % or more and 30 mol % or less. The transition metal element replaces at least one of copper, tin, and typical metal elements other than tin. The transition metal element content in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol % or less.

硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率は、例えば10モル%以上、場合によっては30モル%以上、さらには50モル%以上でありうる。また、硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率は、例えば70モル%以下である。硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が10モル%以上であれば、硫化物の結晶構造が閃亜鉛鉱型構造になりやすい。また、硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が30モル%以上であれば、エネルギー的に安定になりやすい。 The content of copper in the total amount of metals contained in the sulfide can be, for example, 10 mol % or more, in some cases 30 mol % or more, and further 50 mol % or more. Moreover, the content of copper in the total amount of metals contained in the sulfide is, for example, 70 mol % or less. If the content of copper in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol % or more, the crystal structure of the sulfide tends to be a zincblende structure. Moreover, when the copper content in the total amount of metals contained in the sulfide is 30 mol % or more, the sulfide tends to be stable in terms of energy.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、例えば10モル%以上、場合によっては15モル%以上、さらには20モル%以上でありうる。また、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、例えば70モル%以下である。 The tin content in the total amount of metals contained in the sulfide can be, for example, 10 mol % or more, in some cases 15 mol % or more, or even 20 mol % or more. Also, the content of tin in the total amount of metals contained in the sulfide is, for example, 70 mol % or less.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、望ましくは10モル%以上であり、より望ましくは12モル%以上である。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、望ましくは30モル%以下であり、より望ましくは25モル%以下である。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が30モル%以下であれば、硫化物においてスズ以外の典型金属元素が規則的に配置されることによって格子熱伝導率が高まることを、抑制できる。 The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 10 mol % or more, more desirably 12 mol % or more. The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 30 mol % or less, more desirably 25 mol % or less. If the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 30 mol% or less, the lattice thermal conductivity is increased by regularly arranging the typical metal elements other than tin in the sulfide. You can control the increase.

硫化物は、スズ以外の典型金属元素として、2種類以上の典型金属元素を含んでいてもよい。この場合、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、各種類の典型金属元素の含有率の和である。 The sulfide may contain two or more types of typical metal elements other than tin. In this case, the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is the sum of the content of each type of typical metal element.

硫化物に含まれるスズ以外の典型金属元素は、望ましくは、3価である。 A typical metal element other than tin contained in the sulfide is desirably trivalent.

硫化物に含まれるスズ以外の典型金属元素は、望ましくは、Al及びInの少なくとも1つである。この場合、硫化物が熱電変換材料として所望の特性を有しやすい。 A typical metal element other than tin contained in the sulfide is desirably at least one of Al and In. In this case, the sulfide tends to have desired properties as a thermoelectric conversion material.

硫化物は、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の少なくとも一つを置換する遷移金属元素として、2種類以上の遷移金属元素を含んでいてもよい。この場合、硫化物に含まれる金属の全量における遷移金属元素の含有率は、各種類の遷移金属元素の含有率の和である。 The sulfide may contain two or more transition metal elements as transition metal elements substituting at least one of copper, tin, and typical metal elements other than tin. In this case, the content of the transition metal element in the total amount of metal contained in the sulfide is the sum of the content of each type of transition metal element.

硫化物は、望ましくは、Cu5-aAlx-bIn1-x-cSn2-da+b+c+d8で表される組成を有する。ここで、Dは、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の少なくとも一つを置換する上記の遷移金属元素である。加えて、この硫化物は、0≦x≦1及び0<a+b+c+d≦0.8の関係を満たす。この場合、硫化物が熱電変換材料として所望の特性を有しやすい。 The sulfide desirably has a composition represented by Cu5 - aAlxbIn1 - xcSn2- dDa +b+c+ dS8 . Here, D is the above transition metal element that substitutes for at least one of copper, tin, and typical metal elements other than tin. In addition, this sulfide satisfies the relationships 0≤x≤1 and 0<a+b+c+d≤0.8. In this case, the sulfide tends to have desired properties as a thermoelectric conversion material.

硫化物は、より望ましくは0<a+b+c+d≦0.8の関係を満たし、さらに望ましくは0<a+b+c+d≦0.4の関係を満たす。 Sulfide more preferably satisfies the relationship 0<a+b+c+d≦0.8, and more preferably satisfies the relationship 0<a+b+c+d≦0.4.

硫化物は、望ましくは、0≦a≦0.8、0≦b≦0.2、0≦c≦0.2、及び0≦d≦0.6の関係を満たす。硫化物は、より望ましくは、0≦a≦0.5、0≦b≦0.1、0≦c≦0.1、及び0<d≦0.4の関係を満たす。 The sulfide desirably satisfies the relationships 0≤a≤0.8, 0≤b≤0.2, 0≤c≤0.2, and 0≤d≤0.6. The sulfide more desirably satisfies the relationships 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.1, 0≤c≤0.1, and 0<d≤0.4.

硫化物において、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の少なくとも一つを置換する上記の遷移金属元素は、望ましくは、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1つである。なお、硫化物において、この遷移金属元素がCuである場合、Cuは、スズ又はスズ以外の典型金属元素を置換する。 In the sulfide, the transition metal element that replaces at least one of copper, tin, and typical metal elements other than tin is desirably selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn. At least one. In the sulfide, when the transition metal element is Cu, Cu replaces tin or a typical metal element other than tin.

硫化物は、望ましくは、主としてアニオンが四面体状に配置された結晶構造を有する。アニオンが四面体状に配置された構造として、例えば、閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構造、及び逆蛍石型構造等の結晶構造が挙げられる。硫化物は、より望ましくは、閃亜鉛鉱型構造及びウルツ鉱型構造の少なくとも1つの結晶構造を有し、さらに望ましくは、閃亜鉛鉱型構造を有する。閃亜鉛鉱型の結晶構造は、アニオンの立方最密充填格子を広げた構造であり、アニオンからなる四面体の空隙のうちの半分がカチオンで占められた構造である。そのため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において、カチオンサイトが大きさの異なる元素で置換されたとしても、カチオンで占有されていない残り半分の空隙が構造の歪を緩衝する。このため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において特定の割合以下の元素がカチオンを置換できると考えられる。また、閃亜鉛鉱型構造は、同じ元素から構成されているチオスピネル型の結晶構造を有する硫化物と比べて、高い電気伝導率を有しやすく、熱電変換材料として有利な特性を有する。なお、閃亜鉛鉱型類似の構造として、コルーサイト型構造、ジャーマナイト型構造、スタンナイト型構造、及びケステライト型構造等の構造が挙げられる。これらの構造もアニオンが四面体状に配置された構造である。 The sulfide desirably has a crystal structure with predominantly tetrahedrally arranged anions. Structures in which anions are arranged in a tetrahedral pattern include, for example, crystal structures such as a zincblende structure, a wurtzite structure, and an inverse fluorite structure. The sulfide more desirably has a crystal structure of at least one of a sphalerite structure and a wurtzite structure, and more desirably a sphalerite structure. The zincblende crystal structure is a structure in which a cubic close-packed lattice of anions is expanded, and half of the tetrahedral voids composed of anions are occupied by cations. Therefore, in the zincblende crystal structure, even if the cation sites are replaced by elements of different sizes, the remaining half of the voids not occupied by cations buffer the distortion of the structure. For this reason, it is believed that a certain proportion or less of elements can replace cations in the zincblende crystal structure. In addition, the zincblende structure tends to have higher electrical conductivity than sulfide having a thiospinel-type crystal structure composed of the same elements, and has advantageous properties as a thermoelectric conversion material. Structures similar to the zinc blende type include structures such as a colucite type structure, a germanite type structure, a stannite type structure, and a kesterite type structure. These structures are also structures in which anions are arranged in a tetrahedral configuration.

上記の硫化物は、例えば、銅の粉末、スズの粉末、スズ以外の典型金属元素の粉末、及び遷移金属元素の粉末を混合して得られた粉体を焼結することによって製造できる。遷移金属元素がCuである場合、銅の粉末、スズの粉末、及びスズ以外の典型金属元素の粉末を混合して得られた粉体を焼結することによって、硫化物を製造できる。これらの粉末の混合には、例えば、ボールミル等の公知の装置を使用できる。また、粉体を焼結する方法は、例えば、放電プラズマ焼結(Spark Plasma Sintering)又はホットプレスである。焼結温度は、例えば、150℃~1500℃であり、望ましくは、200℃~1000℃である。焼結時間は、例えば、0分~10分であり、望ましくは、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、粉体が充填されたダイの内部の温度を上記の昇温時間で最高温度まで昇温させ、ダイの内部の温度を最高温度で所定の時間(焼結時間)保ち、その後加熱を停止して焼結体を自然冷却させる。焼結工程中に粉体を加圧する圧力は、例えば、0.5MPa~100MPaであり、望ましくは、5MPa~50MPaである。ペレットのサイズが大きい場合又はペレットの機械的強度を高くする必要がある場合には、均一な焼結体を得るために、焼結時間又は昇温時間をさらに長くすることが好ましい。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、望ましくは真空雰囲気で行われる。 The above sulfide can be produced, for example, by sintering a powder obtained by mixing powder of copper, powder of tin, powder of a typical metal element other than tin, and powder of a transition metal element. When the transition metal element is Cu, the sulfide can be produced by sintering powder obtained by mixing powder of copper, powder of tin, and powder of typical metal elements other than tin. For mixing these powders, for example, a known device such as a ball mill can be used. Moreover, the method of sintering the powder is, for example, spark plasma sintering or hot pressing. The sintering temperature is, for example, 150°C to 1500°C, preferably 200°C to 1000°C. The sintering time is, for example, 0 to 10 minutes, preferably 0 to 5 minutes. Moreover, 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 to 10 minutes. For example, the temperature inside the die filled with powder is raised to the maximum temperature in the above heating time, the temperature inside the die is maintained at the maximum temperature for a predetermined time (sintering time), and then heating is stopped. to allow the sintered body to cool naturally. The pressure to press the powder during the sintering process is, for example, 0.5 MPa to 100 MPa, preferably 5 MPa to 50 MPa. If the size of the pellet is large or if it is necessary to increase the mechanical strength of the pellet, it is preferable to further lengthen the sintering time or heating time in order to obtain a uniform sintered body. This sintering step can be performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. This sintering step is desirably performed in a vacuum atmosphere.

上記の硫化物は、溶融法、水熱合成法、又は液相還元法等の方法によって合成されてもよい。特に、液相還元法によって合成されたナノメートルオーダー(例えば、100nm以下の粒子径を有する)の硫化物の粒子は、その粒子径を調節することによって効率的にフォノンを散乱して、低い格子熱伝導率を示すことが期待される。 The above sulfides may be synthesized by a method such as a melting method, a hydrothermal synthesis method, or a liquid phase reduction method. In particular, nanometer-order sulfide particles (for example, having a particle size of 100 nm or less) synthesized by the liquid-phase reduction method efficiently scatter phonons by adjusting the particle size, resulting in a low lattice It is expected to exhibit thermal conductivity.

溶融法は、原料を高温で反応させ、目的の化合物を得る方法である。溶融法の一例は、目的とする材料の物質量比となるように原料を石英管等に真空封入し、例えば、電気炉等の加熱装置を用いて、所定の反応温度で原料を反応させる方法である。 The melting method is a method of reacting raw materials at a high temperature to obtain a target compound. An example of the melting method is a method in which the raw materials are vacuum-sealed in a quartz tube or the like so that the material ratio of the target material is achieved, and the raw materials are reacted at a predetermined reaction temperature using a heating device such as an electric furnace. is.

水熱合成法の一例について説明する。目的とする材料の物質量比となるように、銅化合物、スズ化合物、スズ以外の典型金属元素、及び硫黄化合物又は単体の硫黄を水中に添加しつつ、必要に応じて別の遷移金属の化合物も添加し、混合して混合液を調製する。次に、150~300℃の温度及び0.5~9MPa(メガパスカル)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。この製造方法における銅化合物は、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等の酢酸銅である。この製造方法におけるスズ化合物は、例えば、SnCl2及びSnCl4等の塩化物、硝酸スズ、又は酢酸スズである。この製造方法における硫黄化合物は、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。また、スズ以外の典型金属元素に関しては、その金属元素の供給源として、例えば、塩化物、硝酸塩、及び酢酸塩などの化合物を用いることができる。別の遷移金属の供給源としては、例えば、塩化物、硝酸塩、及び酢酸塩などの化合物を用いることができる。 An example of the hydrothermal synthesis method will be described. A copper compound, a tin compound, a typical metal element other than tin, and a sulfur compound or elemental sulfur are added to water so that the substance amount ratio of the target material is achieved, and if necessary, another transition metal compound. are also added and mixed to prepare a mixture. Next, hydrothermal synthesis is performed by placing the mixed liquid in an environment of temperature of 150 to 300° C. and pressure of 0.5 to 9 MPa (megapascal) for a predetermined period. The copper compound in this production method is, for example, chlorides such as CuCl and CuCl2, copper nitrates such as Cu(NO3)2 , or copper acetates such as Cu( CH3COO ) and Cu( CH3COO ) 2 . be. Tin compounds in this process are, for example, chlorides such as SnCl 2 and SnCl 4 , tin nitrate or tin acetate. The sulfur compound in this production method is, for example, an organic sulfur compound such as thiourea and thioacetamide. As for typical metal elements other than tin, compounds such as chlorides, nitrates, and acetates can be used as supply sources of the metal elements. Alternative transition metal sources can be compounds such as chlorides, nitrates, and acetates.

液相還元法の一例について説明する。まず、硫化物に含まれる金属の全量における銅、スズ、、スズ以外の典型金属元素、及びの含有率が上記の範囲になるように、有機溶媒中に銅化合物、スズ化合物、スズ以外の典型金属元素の化合物、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の少なくとも一つを置換する遷移金属の化合物、及び硫黄化合物及び/又は単体の硫黄を含む混合液を調製する。混合液の調製は、例えば、常温及び常圧の環境で行われる。次に、不活性ガスで満たされた150~350℃の温度の環境にその混合液を所定期間置いて熱電変換材料の合成を行う。 An example of the liquid phase reduction method will be described. First, a copper compound, a tin compound, and a typical metal element other than tin are added to an organic solvent so that the contents of copper, tin, and typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide fall within the above ranges. A mixture solution containing a metal element compound, a transition metal compound substituting at least one of copper, tin, and typical metal elements other than tin, and a sulfur compound and/or elemental sulfur is prepared. Preparation of the mixed solution is performed, for example, in an environment of normal temperature and normal pressure. Next, the mixed liquid is placed in an environment filled with an inert gas at a temperature of 150 to 350° C. for a predetermined period of time to synthesize a thermoelectric conversion material.

この方法における、上記の金属の化合物は、例えば、塩化物、硝酸化合物、カルボン酸、又は金属アセチルアセトナート等の錯体化合物であり得る。この方法における、硫黄化合物は、例えば、(i)オクタンチオール、デカンチオール、及びドデカンチオール等のチオール、(ii)オクタンジチオール、デカンジチオール、及びドデカンジチオール等のジチオール、(iii)チオ尿素、又は(iv)チオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。有機硫黄化合物は、望ましくは、チオール等の液体有機硫黄化合物である。この場合、混合液において、液体有機硫黄化合物が有機溶媒としての役割を果たすことができる。混合液には、液体有機硫黄化合物以外の液体有機化合物が含まれてもよい。そのような液体有機化合物としては、例えば、(i)オレイルアミン等のアミン、(ii)ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、及びオレイン酸等の不飽和脂肪酸、又は(iii)エチレングリコール、トリエチレングリコール、及びテトラエチレングリコール等の多価アルコールを挙げることができる。 In this method, the compound of the metal can be, for example, a chloride, a nitrate compound, a carboxylic acid, or a complex compound such as a metal acetylacetonate. In this method, the sulfur compound is, for example, (i) a thiol such as octanethiol, decanethiol, and dodecanethiol, (ii) a dithiol such as octanedithiol, decanedithiol, and dodecanedithiol, (iii) thiourea, or ( iv) organic sulfur compounds such as thioacetamide; The organic sulfur compound is desirably a liquid organic sulfur compound such as a thiol. In this case, the liquid organic sulfur compound can serve as an organic solvent in the mixture. The liquid mixture may contain a liquid organic compound other than the liquid organic sulfur compound. Such liquid organic compounds include, for example, (i) amines such as oleylamine, (ii) unsaturated fatty acids such as myristoleic acid, palmitoleic acid, and oleic acid, or (iii) ethylene glycol, triethylene glycol, and Polyhydric alcohols such as tetraethylene glycol may be mentioned.

この方法において使用される不活性ガスは、混合液に対し不活性である限り特に制限されないが、例えば、アルゴン等の希ガス又は窒素である。混合液が置かれる環境における圧力は、望ましくは常圧である。 The inert gas used in this method is not particularly limited as long as it is inert to the liquid mixture, and is, for example, a noble gas such as argon or nitrogen. The pressure in the environment in which the liquid mixture is placed is desirably normal pressure.

この製造方法において、不活性ガスで満たされた150~350℃の温度の環境を保つ期間は、例えば1~5時間である。 In this manufacturing method, the period for maintaining the environment filled with inert gas at a temperature of 150 to 350° C. is, for example, 1 to 5 hours.

<熱電変換材料>
この硫化物は熱電変換材料にとって有利な特性を有する。このため、本発明に係る熱電変換材料は、上記の硫化物を含有する。熱電変換材料は、この硫化物のみから構成されていてもよいし、この硫化物とともに他の成分をさらに含んでいてもよい。なお、この硫化物は、熱電変換材料以外の用途で利用できる可能性もある。例えば、この硫化物は、太陽電池の材料として利用できる可能性もある。
<Thermoelectric conversion material>
This sulfide has advantageous properties for thermoelectric conversion materials. Therefore, the thermoelectric conversion material according to the present invention contains the above sulfides. The thermoelectric conversion material may be composed only of this sulfide, or may further contain other components together with this sulfide. It should be noted that this sulfide may be used in applications other than thermoelectric conversion materials. For example, this sulfide may be used as a material for solar cells.

<熱電変換素子>
上記の硫化物を含有する熱電変換材料を用いて、熱電変換素子を作製できる。この場合、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料を備える。
<Thermoelectric conversion element>
A thermoelectric conversion element can be produced using the thermoelectric conversion material containing the above sulfide. In this case, the thermoelectric conversion element includes the thermoelectric conversion material containing the sulfide.

例えば、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料と、熱電変換材料に接続された導体とを備えている。図1Aに示す通り、熱電変換素子1は、例えば、複数の第一熱電変換材料10と、第一熱電変換材料10と交互に配置された複数の第二熱電変換材料20と、隣り合う第一熱電変換材料10と第二熱電変換材料20とを接続する導体30とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料10及び複数の第二熱電変換材料20は、導体30によって直列に接続されている。第一熱電変換材料10は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。一方、第二熱電変換材料20は、熱電変換素子に使用可能な公知のn型半導体である。図1Aに示す通り、導体30は、例えば所定の基板40a又は基板40b上に配置されている。基板40a及び基板40bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。 For example, a thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion material containing the above sulfide and a conductor connected to the thermoelectric conversion material. As shown in FIG. 1A, the thermoelectric conversion element 1 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 10, a plurality of second thermoelectric conversion materials 20 alternately arranged with the first thermoelectric conversion materials 10, and adjacent first thermoelectric conversion materials 10 A conductor 30 connecting the thermoelectric conversion material 10 and the second thermoelectric conversion material 20 is provided. For example, multiple first thermoelectric conversion materials 10 and multiple second thermoelectric conversion materials 20 are connected in series by conductors 30 . The first thermoelectric conversion material 10 is a thermoelectric conversion material containing the above sulfide. On the other hand, the second thermoelectric conversion material 20 is a known n-type semiconductor that can be used for thermoelectric conversion elements. As shown in FIG. 1A, the conductors 30 are disposed on, for example, a given substrate 40a or 40b. Each of the substrate 40a and the substrate 40b is, for example, a ceramic substrate having high thermal conductivity.

図1Bに示す通り、熱電変換素子2は、例えば、複数の第一熱電変換材料50と、隣り合う第一熱電変換材料50同士を接続する導体60とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料50は、導体60によって直列に接続されている。第一熱電変換材料50は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。図1Bに示す通り、導体60は、例えば所定の基板70a又は基板70b上に配置されている。基板70a及び基板70bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。 As shown in FIG. 1B, the thermoelectric conversion element 2 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 50 and conductors 60 connecting adjacent first thermoelectric conversion materials 50 together. For example, multiple first thermoelectric conversion materials 50 are connected in series by conductors 60 . The first thermoelectric conversion material 50 is a thermoelectric conversion material containing the above sulfide. As shown in FIG. 1B, conductors 60 are disposed on, for example, a given substrate 70a or substrate 70b. Each of the substrates 70a and 70b is, for example, a ceramic substrate having high thermal conductivity.

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。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 more detail below using examples. In addition, the following examples are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
銅の粉末1.154g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.7762g、マンガンの粉末0.040g、及び硫黄の粉末0.932gをレッチェ社製の遊星ボールミルに仕込み、400rpm(revolutions per minute)で9分間回転した後1分間停止する動作を3時間繰り返して混合粉体を得た。得られた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)で焼結した。この焼結は、直径10mmのダイに0.75gの粉体を充填し、ダイの内部の温度を800℃まで100℃/分の速度で上昇させ、その後ダイの内部の温度を800℃で2分間保つことによって行われた。その後、ダイの内部から取り出した焼結品であるペレットの両面を、JIS R 6001:1998に基づく粒度が#2000である研磨紙を用いて研磨し、実施例1に係るサンプルを得た。実施例1に係るサンプルの組成は、Cu5AlMn0.2Sn1.88であった。
<Example 1>
1.154 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.7762 g of tin powder, 0.040 g of manganese powder, and 0.932 g of sulfur powder were placed in a planetary ball mill manufactured by Retsch and milled at 400 rpm (revolutions per minute). ) for 9 minutes and then stopped for 1 minute were repeated for 3 hours to obtain a mixed powder. The obtained powder was sintered with a discharge plasma sintering apparatus (manufactured by Sinterland, model number: LABOX-125). The sintering is performed by filling a 10 mm diameter die with 0.75 g of powder, increasing the temperature inside the die to 800°C at a rate of 100°C/min, and then raising the temperature inside the die to 800°C for 2 It was done by keeping for a minute. After that, both sides of the pellet, which is a sintered product taken out from the die, were polished with abrasive paper having a particle size of #2000 based on JIS R 6001:1998, and a sample according to Example 1 was obtained. The composition of the sample according to Example 1 was Cu5AlMn0.2Sn1.8S8 .

<実施例2>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.154g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.776g、鉄の粉末0.041g、及び硫黄の粉末0.932gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例2に係るサンプルを得た。実施例2に係るサンプルの組成は、Cu5AlFe0.2Sn1.88であった。
<Example 2>
Instead of the above powders, 1.154 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.776 g of tin powder, 0.041 g of iron powder, and 0.932 g of sulfur powder were used to obtain a mixed powder. A sample according to Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The composition of the sample according to Example 2 was Cu5AlFe0.2Sn1.8S8 .

<実施例3>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.153g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.775g、コバルトの粉末0.043g、及び硫黄の粉末0.931gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係るサンプルを得た。実施例3に係るサンプルの組成は、Cu5AlCo0.2Sn1.88であった。
<Example 3>
Instead of the above powders, 1.153 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.775 g of tin powder, 0.043 g of cobalt powder, and 0.931 g of sulfur powder were used to obtain a mixed powder. A sample according to Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The composition of the sample according to Example 3 was Cu5AlCo0.2Sn1.8S8 .

<実施例4>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.153g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.776g、ニッケルの粉末0.043g、及び硫黄の粉末0.931gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例4に係るサンプルを得た。実施例4に係るサンプルの組成は、Cu 5 AlNi 0.2 Sn 1.8 8 であった。
<Example 4>
Instead of the above powders, 1.153 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.776 g of tin powder, 0.043 g of nickel powder, and 0.931 g of sulfur powder were used to obtain a mixed powder. A sample according to Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The composition of the sample according to Example 4 was Cu5AlNi0.2Sn1.8S8 .

<実施例5>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.198g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.775g、及び硫黄の粉末0.930gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例5に係るサンプルを得た。実施例5に係るサンプルの組成は、Cu 5.2 AlSn 1.8 8 であった。
<Example 5>
Example 1 except that a mixed powder was obtained by using 1.198 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.775 g of tin powder, and 0.930 g of sulfur powder instead of the above powders. A sample according to Example 5 was obtained in the same manner as above. The composition of the sample according to Example 5 was Cu5.2AlSn1.8S8 .

<実施例6>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.151g、アルミニウムの粉末0.098g、スズの粉末0.774g、亜鉛の粉末0.047g、及び硫黄の粉末0.930gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例6に係るサンプルを得た。実施例6に係るサンプルの組成は、Cu5AlZn0.2Sn1.88であった。
<Example 6>
Instead of the above powders, 1.151 g of copper powder, 0.098 g of aluminum powder, 0.774 g of tin powder, 0.047 g of zinc powder, and 0.930 g of sulfur powder were used to obtain a mixed powder. A sample according to Example 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The composition of the sample according to Example 6 was Cu5AlZn0.2Sn1.8S8 .

<実施例7>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.042g、インジウムの粉末0.377g、スズの粉末0.701g、ニッケルの粉末0.039g、及び硫黄の粉末0.842gを用いて混合粉体を得たことと、焼結温度を600℃にしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例7に係るサンプルを得た。実施例7に係るサンプルの組成は、Cu5InNi0.2Sn1.88であった。
<Example 7>
Instead of the above powders, 1.042 g of copper powder, 0.377 g of indium powder, 0.701 g of tin powder, 0.039 g of nickel powder, and 0.842 g of sulfur powder were used to obtain a mixed powder. A sample according to Example 7 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the sintering temperature was changed to 600°C. The composition of the sample according to Example 7 was Cu5InNi0.2Sn1.8S8 .

<実施例8>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.093g、アルミニウムの粉末0.046g、インジウムの粉末0.198g、スズの粉末0.735g、亜鉛の粉末0.045g、及び硫黄の粉末0.883gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、実施例8に係るサンプルを得た。実施例8に係るサンプルの組成は、Cu5Al0.5In0.5Zn0.2Sn1.88であった。
<Example 8>
1.093 g of copper powder, 0.046 g of aluminum powder, 0.198 g of indium powder, 0.735 g of tin powder, 0.045 g of zinc powder, and 0.883 g of sulfur powder were substituted for the above powders. A sample according to Example 8 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a mixed powder was obtained using The composition of the sample according to Example 8 was Cu5Al0.5In0.5Zn0.2Sn1.8S8 .

<実施例9>
ネオデカン酸銅20mmol、2-エチルヘキサン酸インジウム4mmol、2-エチルヘキサン酸スズ6.4mmol、2-エチルヘキサン酸ニッケル1.6mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液を得た。次に、アルゴンガスで満たされた空間に混合液の入った容器を置き、混合液を260℃に加熱しつつ3時間撹拌することによって、粒子が析出した液体が得られた。このようにして得られた液体に、メタノールを加え、5000rpmで5分間遠心分離処理を行って、沈殿物を回収した。回収した沈殿物をヘキサン及びメタノールで洗浄した。その後、得られた沈殿物を50mlのトルエン中に分散させ、この分散液を2.5gのチオ尿素をメタノールに溶解させた溶液と混合し、この混合液を超音波処理にかけ、表面処理剤を置換した。その後、ヘキサン、メタノール、及びトルエンで固形物を洗浄し、さらに、真空乾燥器を用いて固形物を真空乾燥させた。このようにして、実施例9に係る粉末を得た。焼結温度を600℃にしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例9に係る粉末を焼結及び研磨し、実施例9に係るサンプルを得た。
<Example 9>
20 mmol of copper neodecanoate, 4 mmol of indium 2-ethylhexanoate, 6.4 mmol of tin 2-ethylhexanoate, 1.6 mmol of nickel 2-ethylhexanoate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine are mixed and stirred to uniformly disperse. A mixed liquid was obtained. Next, a container containing the mixed liquid was placed in a space filled with argon gas, and the mixed liquid was heated to 260° C. and stirred for 3 hours to obtain a liquid in which particles were precipitated. Methanol was added to the liquid thus obtained, and the mixture was centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes to collect the precipitate. The collected precipitate was washed with hexane and methanol. After that, the resulting precipitate was dispersed in 50 ml of toluene, this dispersion was mixed with a solution of 2.5 g of thiourea dissolved in methanol, and the mixture was subjected to ultrasonic treatment to remove the surface treatment agent. replaced. After that, the solid matter was washed with hexane, methanol, and toluene, and further vacuum-dried using a vacuum dryer. Thus, the powder according to Example 9 was obtained. The powder according to Example 9 was sintered and polished in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 600° C. to obtain a sample according to Example 9.

<参考例>
上記の粉末に代えて、銅の粉末1.137g、アルミニウムの粉末0.097g、スズの粉末0.849g、及び硫黄の粉末0.918gを用いて混合粉体を得た以外は、実施例1と同様にして、参考例に係るサンプルを得た。参考例に係るサンプルの組成は、Cu5AlSn28であった。
<Reference example>
Example 1 except that a mixed powder was obtained by using 1.137 g of copper powder, 0.097 g of aluminum powder, 0.849 g of tin powder, and 0.918 g of sulfur powder instead of the above powders. A sample of Reference Example was obtained in the same manner as above. The composition of the sample according to the reference example was Cu5AlSn2S8 .

<電気伝導率及びゼーベック係数の測定>
熱電特性評価装置(オザワ科学社製、製品名:RZ2001i)又は熱電特性評価装置(アルバック理工社製、製品名:ZEM-3)を用いて、実施例1~9に係るサンプルの電気伝導率σを測定した。結果を図2A~図2Eに示す。なお、実施例1~9に係るサンプルの電気伝導率σの逆数をとって電気抵抗率ρを求めた。結果を図2A~図2Iに示す。上記の熱電特性評価装置を用いて実施例1~9に係るサンプルのゼーベック係数Sを測定した。結果を図3A~図3Iに示す。実施例1~9に係るサンプルにおいて、ゼーベック係数S及び電気伝導率σから上記の式(2)に基づいてパワーファクターPFを求めた。結果を図3A~図3Iに示す。
<Measurement of electrical conductivity and Seebeck coefficient>
Using a thermoelectric property evaluation device (manufactured by Ozawa Scientific Co., Ltd., product name: RZ2001i) or a thermoelectric property evaluation device (manufactured by ULVAC-RIKO, product name: ZEM-3), the electrical conductivity σ of the samples according to Examples 1 to 9 was measured. The results are shown in Figures 2A-2E. The electric resistivity ρ was obtained by taking the reciprocal of the electric conductivity σ of the samples according to Examples 1 to 9. The results are shown in Figures 2A-2I. The Seebeck coefficient S of the samples according to Examples 1 to 9 was measured using the thermoelectric property evaluation apparatus described above. The results are shown in Figures 3A-3I. In the samples according to Examples 1 to 9, the power factor PF was obtained from the Seebeck coefficient S and the electric conductivity σ based on the above formula (2). The results are shown in Figures 3A-3I.

参考例に係るサンプルについて実施例1~9と同様にしてパワーファクターPFを求めた。図3A~図3Iに示す各実施例のパワーファクターPFの代表値と参考例に係るサンプルのパワーファクターとを図4に示す。 The power factor PF was obtained in the same manner as in Examples 1 to 9 for the samples according to Reference Example. FIG. 4 shows the representative value of the power factor PF of each example shown in FIGS. 3A to 3I and the power factor of the sample according to the reference example.

<X線回折測定>
X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)を用いて、実施例1~9に係るサンプルのX線回折パターンを得た。X線としてCuKα線を用いた。実施例1~9に係るサンプルのX線回折パターンを、図5A~図5Iに示す。
<X-ray diffraction measurement>
Using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku, product name: MiniFlex600), X-ray diffraction patterns of the samples according to Examples 1 to 9 were obtained. CuKα rays were used as X-rays. The X-ray diffraction patterns of the samples according to Examples 1-9 are shown in FIGS. 5A-5I.

Claims (3)

Cu5-aAlx-bIn1-x-cSn2-da+b+c+d8で表される組成を有し、Dは遷移金属元素であり、0≦x≦1及び0<a+b+c+d≦0.4の関係を満たし、
前記遷移金属元素は、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、
350K~650Kにおいて1.2×10-4Wm-1-2以上であり、380K~390Kにおいて1.4×10 -4 Wm -1 -2 以上であり、470K~490Kにおいて1.7×10 -4 Wm -1 -2 以上であり、570K~580Kにおいて1.8×10 -4 Wm -1 -2 以上である、パワーファクターを有する、
硫化物。
It has a composition represented by Cu5 - aAlxbIn1 -xcSn2 - dDa +b+c+ dS8 , where D is a transition metal element, and 0≤x≤1 and 0< satisfying the relationship a + b + c + d ≤ 0.4,
The transition metal element is at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn,
1.2 ×10 −4 Wm −1 K −2 or more at 350 K to 650 K, 1.4×10 −4 W m −1 K −2 or more at 380 K to 390 K, and 1.7× at 470 K to 490 K. having a power factor of 10 −4 Wm −1 K −2 or more and 1.8×10 −4 Wm −1 K −2 or more at 570 K to 580 K ;
sulfide.
請求項に記載の硫化物を含有する、熱電変換材料。 A thermoelectric conversion material containing the sulfide according to claim 1 . 請求項に記載の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to claim 2 .
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