JPS58180076A - Novel polyphase thermoelectric alloy and method of producing same - Google Patents

Novel polyphase thermoelectric alloy and method of producing same

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JPS58180076A
JPS58180076A JP58008614A JP861483A JPS58180076A JP S58180076 A JPS58180076 A JP S58180076A JP 58008614 A JP58008614 A JP 58008614A JP 861483 A JP861483 A JP 861483A JP S58180076 A JPS58180076 A JP S58180076A
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JP
Japan
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tellurium
antimony
electrical conductivity
grain boundary
compound
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Application number
JP58008614A
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Japanese (ja)
Inventor
ツムクル・エス・ジアヤデブ
オン・バン・ニユエン
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Energy Conversion Devices Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱電的応用のための新規で改良された材料並び
にその製造方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to new and improved materials for thermoelectric applications and methods of making the same.

エネルギー製坤角化石燃料の世界的資源は常に増大する
速度で消耗されてきた。この現実はエネルギー危機をも
たらし世界経済に衝撃を与えるのみならす世界の平和と
安定をおびやかしている。
The world's resources of energy-producing fossil fuels have been depleted at an ever-increasing rate. This reality not only creates an energy crisis and shocks the world economy, but also threatens world peace and stability.

エネルギー危機の解決策は新規燃料の開発とそれを利用
するより効率的な技術の開発にある。この目的に対して
、本発明はより多くの電気を提供する装置に使用する新
材料の開発によって、エネルギー保存、発電、汚染、及
び新規事業機会の発生等を処理するものである。
The solution to the energy crisis lies in the development of new fuels and more efficient technologies to use them. To this end, the present invention addresses issues such as energy storage, power generation, pollution, and the generation of new business opportunities by developing new materials for use in devices that provide more electricity.

永久的で経済的なエネルギー転換の開発に関する解決策
の一つのXiな部分は電力が熱によって発生する熱電気
領域にある。例えば自動車排気あるいは電力プラントか
らの、我々のエネルギーの2/3は廃棄されて環境へ放
出されていると推定されてきた。これまでのところは、
この熱的汚染からの重大な気候的影響はない。しかし、
世界のエネルギー消費が増すにつれて熱的汚染の影響は
終局的には極地水盤の部分的溶解に連かり付随的に海水
面の上昇に通ずる。電力発生用に廃熱を用いることはエ
ネルギー源と無関係にこの熱的汚染を直接的に減らすこ
とができる。
One part of the solution for the development of a permanent and economical energy transition lies in the thermoelectric domain, where electricity is generated by heat. It has been estimated that two-thirds of our energy, from vehicle exhaust or power plants, for example, is wasted and released into the environment. So far,
There are no significant climate impacts from this thermal pollution. but,
As global energy consumption increases, the effects of thermal pollution will ultimately lead to partial melting of polar basins and concomitant sea level rise. Using waste heat for power generation can directly reduce this thermal pollution, independent of the energy source.

熱電気的デノZイスの性能はそのデ・2イスを形成する
物質の有能指数(Z)に関して表現することができ、そ
の場合、Zは として定義され、ここに Zは×103の単位で表わされ、 Sはμv/Cで表わすイー4ツク係数であり、KはmW
/CrIL−’にで表わす熱伝導度であり、σは(Ω−
cIIL)−’で表わす電気伝導度である。
The performance of a thermoelectric device can be expressed in terms of the efficiency index (Z) of the material forming the device, where Z is defined as, where Z is in units of x 103 , where S is the coefficient in μv/C and K is mW.
/CrIL-', and σ is (Ω-
cIIL)-' is the electrical conductivity.

上記のことから、一つの物質が熱電的電力転換に適する
ためには、熱電能ゼーベック係数に)の大ぎな値、高い
電気伝導度(σ)、及び低い熱伝導度のをもたねばなら
ない。さらに、熱伝導度■に対しては二つの成分があり
:格子(1ait、1ce)成分Kl、及び電気成分K
e、とである。非金属に於てはに/が支配的であり、K
の値を主としてきめるのはこの成分である。
From the above, in order for a material to be suitable for thermoelectric power conversion, it must have a large value of thermoelectric Seebeck coefficient), high electrical conductivity (σ), and low thermal conductivity. Furthermore, there are two components for the thermal conductivity ■: the lattice (1ait, 1ce) component Kl, and the electrical component K
e. In nonmetals, ni/ is dominant, and K
It is this component that mainly determines the value of .

別の言い方をすると、一つの物質が熱電的電力転換に効
果的であるためには、キャリアーを温度勾配を維持しな
がら高温接点から低温接点へ容易に拡散させることが重
要である。従って、高電気伝導度が低熱伝導度と平行し
て必要とされる。
Stated another way, for a material to be effective in thermoelectric power conversion, it is important that carriers diffuse easily from hot to cold contacts while maintaining a temperature gradient. Therefore, high electrical conductivity is required in parallel with low thermal conductivity.

熱電的電力転換は過去には広汎な用途が見出されなかっ
た。この主な理由は、商業的応用に適肖である従来技術
の熱電物質はその構造は結晶性であったことである。熱
電デバイスに最も適したそれらの結晶性物質は機械的性
質がわるく組成的変化に敏感であるために製造が困−で
ある。これはそれらがテルル及びセレンのような元素を
主成分としこれらが天然のガラス形成剤であることから
おこる。これらの結晶の成長、制御、及び機械的安定性
はそれゆえ、今日まで克服できない問題であることにつ
ながった。特に、高い有能指数(Z)をもつ物質は一般
的には、高品質単結晶の成長が困難なことで有名である
テルル化合物のようなカルコゲナイドからつくら・れる
。このような結晶が成長するときでもそれらは大きな欠
陥密度を含みしばしば不安定である。その上、それらは
普通にはとても化学量論的とはいえない。これらのすべ
ての理由から、制御されたド−ピングは極めて困難であ
ることがわかった。
Thermoelectric power conversion has not found widespread application in the past. The main reason for this is that prior art thermoelectric materials suitable for commercial applications were crystalline in structure. Those crystalline materials most suitable for thermoelectric devices are difficult to manufacture because of their poor mechanical properties and sensitivity to compositional changes. This occurs because they are based on elements such as tellurium and selenium, which are natural glass formers. The growth, control, and mechanical stability of these crystals has therefore led to being an insurmountable problem to date. In particular, materials with high performance index (Z) are commonly made from chalcogenides, such as tellurium compounds, which are notoriously difficult to grow in high quality single crystals. Even when such crystals grow, they contain large defect densities and are often unstable. Moreover, they are usually not very stoichiometric. For all these reasons, controlled doping has proven extremely difficult.

導度の大きい値を達成することができない。最も重要な
ことは、結晶対称性のために、熱伝導度は変成によって
調節することができない。
Large values of conductivity cannot be achieved. Most importantly, due to crystal symmetry, thermal conductivity cannot be adjusted by metamorphism.

慣用的な多結晶の試みの場合にも、単結晶物質の問題は
なおも支配的である。しカル、新しい問題もまた多結晶
粒界のためにおこり、これはこれらの+I質に比較的低
い電気伝導度をもたせる。さらに、これらの物質の製造
もまたそれらのより複雑な結晶性構造の結果として調節
困難である。これらの′+tJJxの化学的変性または
ト9−ピングは上記諸問題のために特に国難である。
Even in the case of conventional polycrystalline approaches, the problem of single crystal materials still predominates. However, new problems also arise due to polycrystalline grain boundaries, which give these +I materials relatively low electrical conductivity. Furthermore, the production of these materials is also difficult to control as a result of their more complex crystalline structure. Chemical modification or toping of these '+tJJx's is a particular problem due to the problems mentioned above.

最もよく知られている現存の多結晶質の熱電材料は(B
 1.S b ) 2 T e 3 +  P b T
 e及び5i−Geである。この(st、5b)2Te
3はB1とSbの相対量が0から100%である連続的
固溶体系を表わす。
The best known existing polycrystalline thermoelectric material is (B
1. S b ) 2 T e 3 + P b T
e and 5i-Ge. This (st, 5b)2Te
3 represents a continuous solid solution system in which the relative amounts of B1 and Sb are from 0 to 100%.

5i−Ge材料は60ρCから1000c17)範囲の
高温の応用に最もよく適していて、700c以上で満足
すべきZを現わす。PbTe多結晶性材料は600Cか
ら500cの範囲に於てその最良の有能指数を示す。こ
れらの物質はどれも1oorから600Cの範囲に於け
る応用には適していない。
The 5i-Ge material is best suited for high temperature applications ranging from 60 ρC to 1000c and exhibits a satisfactory Z above 700c. PbTe polycrystalline material exhibits its best performance index in the 600C to 500C range. None of these materials are suitable for applications in the 1oor to 600C range.

これは実に不幸なことであり、なぜならば広範なm類の
廃熱応用が見出されるのはこの100〜600Cの温度
に於てだからである。このような応用の中には、地熱廃
熱及び例えばトラック、ノテス及び自動単に於ける内燃
機関またはディーゼルエンジンからの廃熱がある。この
種類の応用はこれら熱が全く廃熱であるゆえK]i[費
である。より高温領域に於ける熱は他の燃料で以て意図
的に発生させねばならず、それ放臭の廃熱ではない。
This is indeed unfortunate, since it is at this temperature of 100-600C that a wide range of Class M waste heat applications are found. Among such applications are geothermal waste heat and waste heat from internal combustion or diesel engines, such as in trucks, notebooks, and automobiles. This type of application is costly since all of this heat is waste heat. Heat in the higher temperature range must be generated intentionally with other fuels and not as waste heat from odors.

本発明の熱電性材料は単相結晶%物質ではなくて不規則
配列物質である。これらの物質は無定形相と多数の結晶
相との両方なもつ多相物質である。
The thermoelectric material of the present invention is not a single phase crystalline material, but is a disorderly ordered material. These materials are multiphase materials having both an amorphous phase and multiple crystalline phases.

このタイプの物質は良好な熱的絶縁体である。それらは
組成がマトリックス微結晶の組成から粒界関領域中の各
掘の相の組成へ変動する各種の遷移段階諸相の粒界を含
んでいる。これらの粒界は極めて不規則であってそれら
の遷移段階諸相が熱伝導に対して大きい抵抗を提供する
熱的抵抗性相を含んでいる。慣用的材料とは対照的K、
この物質は粒界が伝導相を内部に含む領域を規定し、実
質的に熱伝導に影響することなしに電気伝導性を増すた
めの、メルク物質中を通る多数の電気伝導路を提供する
よう設計されている。本質として、本発明の物質は望ま
しく低い熱伝導度と結晶性バルクのセーはツク性質とに
於て多結晶物質の利点のすべてをもっている。しかし、
従来技術の多結晶w實とちがって、本発明の不規則配列
多相物質はまた望ましく高い電気伝導性をもっている。
This type of material is a good thermal insulator. They contain grain boundaries of various transition phase phases whose composition varies from that of the matrix crystallites to that of each phase in the grain boundary region. These grain boundaries are highly irregular and contain thermally resistant phases whose transition phase phases provide high resistance to heat conduction. In contrast to conventional materials K,
This material is designed such that grain boundaries define regions containing conductive phases and provide multiple electrical conduction paths through the Merck material to increase electrical conductivity without substantially affecting heat transfer. Designed. In essence, the materials of the present invention have all of the advantages of polycrystalline materials in desirably low thermal conductivity and crystalline bulk properties. but,
Unlike prior art polycrystalline materials, the disordered multiphase materials of the present invention also have desirably high electrical conductivity.

従って、本発明によれば有能指数のためのS2σの積は
熱電能発生のための望ましく低い熱伝導度を持って独立
的に最大化することができる。
Therefore, according to the present invention, the product of S2σ for the capability index can be independently maximized with a desirably low thermal conductivity for thermopower generation.

最高度の不規則状態を表わすものである無定形物質は熱
電的応用に対してつくられてきた。これをつ(る物質及
び方法は例えばスタンダードR。
Amorphous materials, representing the highest degree of disorder, have been created for thermoelectric applications. Examples of materials and methods for this purpose include Standard R.

オプシンスキーの名で公告された米国特許明細置薬4,
177.476、 4,177.474.及び4.17
8,415号に於て開示され特許請求されて−・る。こ
れらの特許に於て開示されている物質は、長域的配列で
はなく周部的配列をもつ構造的構成差びに一つのエネル
ギーギャップと一つの電気的活性化エネルギーとをもつ
電気的構成をもつ固体の無定形母体マ)IJラックス中
で形成される。この無定形の母体マトリックスへ、この
無定形マトリックス並びkそれ自体と相互作用してエネ
ルギーギャップ中に電子的状態を形成させる軌道をもっ
た変成用物質を添加する。この相互反応は実質的に無定
形母体マ) IJソックス電子的構成を賛成してその活
性化エネルギーを実際的に減少させ、従ってその物質の
電気的伝導性を実質的に増大させる。得られる電気伝導
性はその母体マトリックスへの変成剤物質溢加量によっ
て調節することができる。無定形母体マトリックスは通
常は真性様伝導性なもち、変成された物質はそれを外因
性様伝導性へ変る。
U.S. Patent No. 4, published under the name Opsinski.
177.476, 4,177.474. and 4.17
No. 8,415, disclosed and claimed in US Pat. No. 8,415. The materials disclosed in these patents have a structural configuration with a circumferential rather than a long-range alignment, and an electrical configuration with an energy gap and an electrical activation energy. It is formed in a solid amorphous matrix Ma) IJ Lux. A metamorphic substance having an orbit that interacts with the amorphous matrix arrangement k itself to form an electronic state in the energy gap is added to this amorphous base matrix. This interaction substantially reduces the activation energy of the amorphous matrix material in favor of its electronic configuration, thus substantially increasing the electrical conductivity of the material. The electrical conductivity obtained can be adjusted by the amount of modifier material added to the host matrix. The amorphous matrix normally has intrinsic-like conductivity, and the altered material changes it to extrinsic-like conductivity.

またそれらの中に於て開示するように、無定形母体マト
リックスは変成剤物質の軌道がそれと相互作用してエネ
ルギーギャップ中に新しい電子的状態を形成する軌道を
もつ孤立電子対をもつことができる。別の形に於ては、
母体マ) ソックスが主として四面体的結合をもつこと
ができその場合に変成剤物質は主として非置換的方法で
添加されてその軌道が母体マトリックスを相互に作用す
る。
As also disclosed therein, the amorphous host matrix can have lone pairs of electrons with which the orbitals of the metamorphic agent interact to form new electronic states in the energy gap. . In another form,
The host matrix can have predominantly tetrahedral bonds, in which case the modifying agent material is added in a predominantly non-displacement manner so that its orbitals interact with the host matrix.

多軌1町目性を付加するd−バンド物質及びf−パン)
*質の両者並びに硼素及び炭素は変成剤として使用して
エネルギーギャップ中に新しい電子状態を形成させるこ
とができる。
d-band material and f-pan that add multi-track character
*Boron and carbon as well as boron and carbon can be used as transformation agents to form new electronic states in the energy gap.

前述の結果として、これらの無定形熱電的物質は実質的
に電気伝導性を増加した。しかし、それらは変成後も無
定形のままであるので低熱伝導性を保付し、’I?に4
001:’をこえる高温領域に於て、熱電的応用によく
適応される。7 これらのvJ質は原子的水準または顕徽鏡的水準で変成
されて、その原子的構成は実質的に変化し、こatでに
のべた独立的に増加した電気伝導度を提供する。これ−
反して、本発明の物質は原子的に変成されるものではな
い。むしろ、それらは物質の中に巨視的水準で不規則配
列な導入するように製作さnる。この不規則配列は伝導
相を含む各種の相が、純無定形相物質に於ける原子的変
成と全く同じやり方で導入されて制御された高電気伝導
性を提供することを可能とし、一方、他の相に於ける不
規則配列は低熱伝導性を与える。これらの物質はそれゆ
え、その熱伝導性に関しては無定形物質と規則正しい多
結晶物質との間の中間物である。
As a result of the foregoing, these amorphous thermoelectric materials have substantially increased electrical conductivity. However, since they remain amorphous after metamorphosis, they retain low thermal conductivity and 'I? to 4
It is well suited for thermoelectric applications in the high temperature range above 001:'. 7 These vJ materials are modified at the atomic or microscopic level, so that their atomic composition is substantially changed, providing the independently increased electrical conductivity mentioned above. This-
In contrast, the materials of the present invention are not atomically altered. Rather, they are fabricated to introduce irregular arrangements into the material at a macroscopic level. This disordered arrangement allows various phases, including conductive phases, to be introduced in exactly the same way as atomic transformations in pure amorphous phase materials to provide controlled high electrical conductivity, while Irregular arrangements in other phases give low thermal conductivity. These materials are therefore intermediate between amorphous and ordered polycrystalline materials with respect to their thermal conductivity.

本発明は、良好なゼーはツク係数、^い電気伝導性、及
び低い熱伝導性をもつ、所望温度範囲に於ける熱電的応
用のための新規で改良された物質とその製造方法を提供
する。このarmでかつ改良された物質はまた、真に無
定形の物置の原子的、tS做鏡的処理方法に巨視的方法
に於いてよく似ているKかかわらず、組成的不規則配列
、変換的不規則配列、形態的不規則配列、及びその他の
不規則配列をもち、低熱伝導度をもたらし一方では高電
気伝導度を与える高伝導相の混入を可能とする。
The present invention provides a new and improved material and method for making the same for thermoelectric applications in desired temperature ranges with good thermal conductivity, high electrical conductivity, and low thermal conductivity. . This arm and improved material is also capable of compositionally disordered arrays, transformations, etc., which closely resembles in a macroscopic way the atomic and specular processing methods of truly amorphous objects. It has irregular arrangements, morphological irregularities, and other irregular arrangements, allowing for the incorporation of highly conductive phases that give low thermal conductivity while giving high electrical conductivity.

粒界の間には巨視的粒界開領域があり、これはまた電気
的伝導相と結墨性介在物を含む各種の相を含んでいる。
Between the grain boundaries are macroscopic grain boundary open regions, which also contain various phases including electrically conductive phases and connective inclusions.

この粒界開領域はil#i電気伝導性な提供する電気伝
導性の変成相が多(存在する。この粒界開領域及び粒界
の中のその他の相は低熱伝導度を提供する。
This grain boundary open region provides il#i electrical conductivity and there are many electrically conductive metamorphic phases present. This grain boundary open region and other phases within the grain boundary provide low thermal conductivity.

この物質は、本発明の方法に従って、少くとも第−及び
第二の多元素無機化合物の混合物を形成させることによ
ってつくられる。一般的には、これら化合物の少くとも
一つは例えば104(Ω−1)−1によって例示される
少くとも103の高い電気伝導度をもつ少くとも一つの
元素を含む。この混合物を昇温へ加熱し、その後冷却し
て、高度伝導性の相を中に含む粒界開領域を規定する不
規則配列粒界によって隔てられた多数のマトリックス結
晶を形成させる。
This material is made according to the method of the invention by forming a mixture of at least a first and a second multi-element inorganic compound. Generally, at least one of these compounds contains at least one element with a high electrical conductivity of at least 103, exemplified by, for example, 104 (Ω-1)-1. The mixture is heated to an elevated temperature and then cooled to form a large number of matrix crystals separated by irregularly ordered grain boundaries defining open grain boundary regions containing the highly conductive phase.

この第−及び第二化合物は構造としては結晶質であるが
異なる幾何的形態をもっている。例えば、それらを組合
わせる前に、第一化合物は菱面体結晶構造をもつビスマ
ス、アンチモン、及びテルルを含むことができ、第二化
合物は面心立方結晶構造’t’モつ銀、アンチモン及び
テルルを含むことができる。また別に、第一化合物はビ
スマス、テルル、及びセレンを含むことができる。
The first and second compounds are crystalline in structure but have different geometrical forms. For example, prior to their combination, the first compound can include bismuth, antimony, and tellurium with a rhombohedral crystal structure, and the second compound can include bismuth, antimony, and tellurium with a face-centered cubic crystal structure. can include. Alternatively, the first compound can include bismuth, tellurium, and selenium.

この物質はまた、例えば混合前の化合物の一つへ沃化テ
ルルまたは塩化カドミウムを添加することKよってトe
  、4ントを含ませることもできる。
This material can also be made more oxidized by, for example, adding tellurium iodide or cadmium chloride to one of the compounds before mixing.
, 4 tones may also be included.

従って、本発明の第一の目的は低熱伝導度と高電気伝導
度をもつ熱電的応用のための材料な提供することであり
、この材料は多数のマトリックス値結晶を含む第−相を
特徴とし、これらの微結晶はこの材料の電気伝導度を増
すために中に導入した少くとも一つの変成用の相を含む
巨視的粒界開領域によって隔てられている。
Therefore, the first object of the present invention is to provide a material for thermoelectric applications with low thermal conductivity and high electrical conductivity, which material is characterized by a phase containing a large number of matrix value crystals. , these crystallites are separated by macroscopic grain boundary open regions containing at least one metamorphic phase introduced therein to increase the electrical conductivity of the material.

本発明の第二の目的は低熱伝導度と高電気伝導度をもつ
熱電的応用のための材料の製造方法を提供することであ
り、その方法は、少くとも第−及び第二の多元素化合物
の混合物を形成させ、これら化合物の少くとも一つが鳥
電気伝導度をもつ少くとも一つの元素を含み:この混合
物を昇温へ加熱し:そしてその後この混合物を冷却して
この混合物から、^電気伝導性の上記の少くとも一つの
元素を有する少くとも電気的に伝導性の相をもつ巨視的
不規則配列粒界開領域によってへだてられた多数のマト
リックス微結晶の第−相から成る一つの多相固体合金w
J質を形成させる;各工程を特徴としている。
A second object of the invention is to provide a method for producing materials for thermoelectric applications with low thermal conductivity and high electrical conductivity, the method comprising at least a first and a second multi-element compound. forming a mixture of , at least one of these compounds containing at least one element with high electrical conductivity; heating this mixture to an elevated temperature; and then cooling the mixture to extract electricity from this mixture. A polyphase consisting of a large number of matrix crystallites separated by macroscopically disordered grain boundary open regions with at least an electrically conductive phase having at least one of the above-mentioned conductive elements. phase solid alloy w
Forming J quality; each process is characterized.

本発明の好ましい具体化は本明細査添附の図面を参照し
て、例としてここに説明する。
Preferred embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.

本丸間は材料全体にわたる不規則配列の存在な導入する
ことによって、所望温度S囲にわたって非常に抜書され
た有能指数のをもっ熱電材料の製造方法を提供する。本
発明の材料は均質結晶構造の中には存在しない不規則配
列をもつ。この不規則配列は諸元素が原子的水準に於て
いかにしてそれらの異なる諸相に結合するかにあるのみ
ならず、巨視的形Mk於ても存在し、その場合、材料は
組成的不規則配列、変換的不規則配列、形態的不規則配
列リあるいは表面不規則配列のようなその他の不規則配
列、並びに材料ノζルク中全体に独得の電気伝導路を創
生させて電気伝導度の増大を提供する諸相の間の表面上
の遷移段階的諸相をもち、一方、この不規則配列が低い
熱伝尋度を提供する。
Honmaruma provides a method for producing a thermoelectric material with a highly selective performance index over a desired temperature range S by introducing the presence of random ordering throughout the material. The materials of the present invention have a disordered arrangement that does not exist in a homogeneous crystal structure. This disordered arrangement exists not only in how the elements combine into their different phases at the atomic level, but also in the macroscopic form Mk, where the material is compositionally disordered. other irregular arrangements, such as irregular arrangements, transformational irregular arrangements, morphological irregular arrangements, or surface irregular arrangements, as well as the creation of unique electrical conduction paths throughout the material to improve electrical conductivity. It has transition graded phases on the surface between phases that provide enhancement, while this irregular arrangement provides low thermal conductivity.

本#3明の材料は多相粒界開領域と不規則配列粒界とK
よってへだてられた多数のマ) IJソックス結晶をも
つ三次元的不規則配列をもっている。この粒界開領域は
材料バルク中全体に倣結晶間で多数の伝導通路を創生ず
る極めて電気伝導性の変性相を含み、その通路の制御に
従って電気伝導性の制御を提供するが、一方、代表的な
結晶構造体はその総括的な電気伝導性は容易には変えら
れない。
This #3 material has multiphase grain boundary open regions, irregularly arranged grain boundaries, and K
Therefore, it has a three-dimensional irregular arrangement with a large number of separated Ma) IJ sock crystals. This grain boundary open region contains a highly electrically conductive modified phase that creates a large number of conductive paths between mimic crystals throughout the bulk of the material, providing control of electrical conductivity in accordance with the control of the paths; The overall electrical conductivity of a crystalline structure cannot be easily changed.

熱電的材料中の不規則配列は各種の程度にあり得る。単
相結晶性材料はもちろんはとんと不規則配列を示さず、
従って実質的に固定した諸因子をもつ。純粋な無定形材
料は長域的配列を全くもたずそして前述のような具合に
変成することができる。本発明の材料はその構造が多相
であって従来技術の結晶性材料よりも実質的に多い不M
則配列をもち、各種の程度の固有の配列と不規則配列を
その中にもっている。この不1141配列が組成的不規
則配列の結果であってもよく、その場合には、材料中の
元素分布を自然におこるものから変えるような具合に諸
元素を結合させることによって構造が不規則配列となる
。組成的不規則配列は例えば、本発明の材料に於て、微
結晶、遷移段階的諸相を含む不規則配列粒界、及び構成
元素の各種の複合体及び相を含む粒界開領域の存在によ
るような、材料内部の諸相によって検証される。
Randomization in thermoelectric materials can be of varying degrees. Not only is it a single-phase crystalline material, but it also does not show any irregular arrangement.
Therefore, it has substantially fixed factors. Pure amorphous materials have no long-range order and can be modified as described above. The materials of the present invention are multiphase in structure and have substantially more free M than prior art crystalline materials.
It has a regular array, and it has various degrees of unique and irregular arrays. This irregular arrangement may be the result of compositional disorder, in which case the structure is created by combining elements in a manner that changes the distribution of elements in the material from that which occurs naturally. It becomes an array. Compositionally disordered arrangement is due, for example, in the materials of the invention to the presence of crystallites, disordered grain boundaries containing transitional graded phases, and grain boundary open regions containing various complexes and phases of the constituent elements. It is verified by various aspects inside the material, such as:

本発明の材料中の変換的不規則配列は、微小結晶、粒界
及び粒界開領域が不規則に配列しているので明らかであ
る。これら微結晶は寸法と配向が各種であり、一方、粒
界は幅と長さが各種である。
Transformational disorder in the materials of the invention is evident as the microcrystals, grain boundaries and grain boundary open regions are randomly arranged. These crystallites vary in size and orientation, while the grain boundaries vary in width and length.

形態的不規則配列は微結晶が勝手な不規則表面形態をも
つ各種形状であるために本発明の材料中に存在する。粒
界もまたその形態がでたらめに変化している。
Morphological disorder exists in the materials of the present invention because the crystallites are of various shapes with arbitrarily irregular surface morphology. The morphology of grain boundaries also changes randomly.

上記結果のすべてがきわめて不規則状態である本発明の
材料をもたらし、望ましい低熱導性の理由であり、一方
粒界間領域内の高伝導性相は微結晶の「…に独得の伝導
通路を形成して高電気伝導性を提供している。電気的伝
導通路は材料の全容積中に提供され、大いに電気伝導性
を増大させ、一方、熱伝導性は影曽を受けないままであ
り、望ましく減少さえする。この結果は結晶性材料の場
合には不可能である。
All of the above results result in the material of the present invention being highly disordered and are the reason for the desirable low thermal conductivity, while the highly conductive phase within the intergranular regions provides unique conductive paths to the microcrystals. electrically conductive paths are provided throughout the entire volume of the material, greatly increasing electrical conductivity, while thermal conductivity remains unaffected; Desirably even decreases. This result is not possible in the case of crystalline materials.

前述した通り、一つの材料の電気伝導性は通常は熱伝導
性に比例する。これは特に結晶性材料について成立する
。このような材料の場合には、熱伝導性を同時に増さな
いで電気伝導性を増すことはきわめて困難である。しか
し熱伝導性は電気伝導性よりも長域の原子的原塊に依存
するものであるので、不規則配列材料は低熱伝導性を保
ちながら電気伝導度の大きい値を達成することができる
As mentioned above, the electrical conductivity of a material is usually proportional to its thermal conductivity. This is especially true for crystalline materials. In the case of such materials, it is extremely difficult to increase electrical conductivity without simultaneously increasing thermal conductivity. However, because thermal conductivity is more dependent on long-range atomic agglomerates than electrical conductivity, disordered materials can achieve high values of electrical conductivity while maintaining low thermal conductivity.

もう一つの重要な点は、化学量論と純度がこれらの物質
中では慣用的材料中のような費因ではないので、製造及
び寿命の安定度についてのより大きい許容幅が可能であ
る。これらの材料は従来の結晶性または多結晶性の材料
とちがって不規南配列によって増強され、あるいはわる
い影参を受けな1、−0 不規則配列材料のも5一つの利点は、それらが結晶性材
料よりも可撓性があることである。この不規則配列材料
は従って膨張及び収縮中により大きく変形することがで
き、材料の加熱冷却サイクル中のより大きい機械的安定
性を可能とする。
Another important point is that because stoichiometry and purity are not as cost factors in these materials as they are in conventional materials, greater latitude in manufacturing and lifetime stability is possible. These materials, unlike conventional crystalline or polycrystalline materials, are enhanced by disordered alignment or do not suffer from negative effects.1,-0 One advantage of disordered alignment materials is that they It is more flexible than crystalline materials. This disordered material is therefore able to deform more during expansion and contraction, allowing for greater mechanical stability during heating and cooling cycles of the material.

一般的に、そして本発明の広義の@間によれば、第−及
び第二の化合物は異なる結晶構造または幾何形状ケ示し
て後で開示するような工程を実施するとぎに得られる熱
延性合金の不規則配列構造を促進及び助成する。さらに
論理的に推幽すると、第−及び第二の化付物の結晶構造
または幾何形状が似ていないほど、最終の熱電性合金の
より好都合の配列が生ずる。生ずる不規則配列は、主と
して第一化合物から成る、遷移段階的諸相を含む不規則
配列粒界により【境をされたマトリックス微結晶;並び
に、著しく異なる電気的及び熱的性質をもつ多数の相を
示す粒界間の粒界開領域、によって例示される。例えば
、そして本発明の一つの具体化によれば、第一化合物は
菱面体結晶構造を合vIJは例えば(Bi、5b)2T
e3の連続的同溶体によって代表される物質の種類にあ
る。第一化合物として、ダイアモンド°屋結晶構造をも
つ化合物、例えば5i−Ge’@質、あるいはPbS及
びPbTeのような面心立方型結晶構造をもつ化付物も
使用できる。これらの物質のすべて及び最も有名な(B
i、5b)2Te3の物質は異なる結晶構造の第二化合
物と組合わせるとき1本発#JK従って使用するのに適
していると信じられる。
Generally, and according to the broad scope of the present invention, the first and second compounds exhibit different crystal structures or geometries in the hot ductile alloy obtained by performing the steps as hereinafter disclosed. Promotes and supports the irregularly arranged structure of. Further logically, the more dissimilar the crystal structures or geometries of the first and second adducts, the more favorable the arrangement of the final thermoelectric alloy will result. The resulting disordered arrangement is dominated by matrix crystallites bounded by disordered grain boundaries containing transitional graded phases consisting primarily of the first compound; This is illustrated by the grain boundary open regions between the grain boundaries shown. For example, and according to one embodiment of the invention, the first compound has a rhombohedral crystal structure, for example (Bi, 5b)2T
It is in the class of substances represented by continuous isosolutes of e3. As the first compound, compounds with a diamond-shaped crystal structure, such as 5i-Ge', or compounds with a face-centered cubic crystal structure, such as PbS and PbTe, can also be used. All of these substances and the most famous (B
i, 5b) It is believed that the 2Te3 material is suitable for use in single-source #JK when combined with a second compound of a different crystal structure.

菱面体結晶構造またはダイヤモンド゛型結晶構造をもつ
第一化合物に対して異種の結晶構造を提供するには、第
二化合物は例えば面心立方型結晶構造をもつ物質である
ことができる。この檜の物質は本発明の一つの具体化に
よれば、Ag25Sb25Te6Gの化合物を含む。P
bTe及びPbSの第一化合物に対してJ!檀の結晶構
造を提供するには、その第二化合物は斜方結糸結晶構造
をもつ物質例えばA g z T eであることができ
る。
To provide a heterogeneous crystal structure to the first compound having a rhombohedral or diamond-shaped crystal structure, the second compound can be, for example, a material with a face-centered cubic crystal structure. This cypress material, according to one embodiment of the invention, includes the compound Ag25Sb25Te6G. P
J! for the first compound of bTe and PbS! To provide a wood crystal structure, the second compound can be a material with an orthogonally tied crystal structure, such as A g z Te.

第一化合物はまた、それが材料バルクの主要部を代表し
それゆえ、最終的熱電的材料の容認できるゼーベック係
数を提供する幀りとなる構成成分であるので、満足すべ
きゼーベック係数を示すことが好ましい。例えばビスマ
ス及び(または)アンチモノのような第VB族元累のカ
ルコゲナイド9のような物質、なかでも(B i t 
S b ) 2 T e 、tはこの棟の化合物の一つ
の群を表わし、硫化鉛(PbS)、テルル化銅(PbT
e)及び5i−Ge の化合物のような既知半導体物置
はすべて一般的には満足すべきゼーベック係数を示す。
The first compound also exhibits a satisfactory Seebeck coefficient since it represents the major part of the material bulk and is therefore the cornerstone component that provides an acceptable Seebeck coefficient of the final thermoelectric material. is preferred. Substances such as chalcogenides 9 of Group VB elements, such as bismuth and/or antimono, inter alia (B i t
S b ) 2 T e , t represents one group of compounds in this building, including lead sulfide (PbS), copper telluride (PbT
All known semiconductor materials, such as the compounds 5i-Ge and 5i-Ge, generally exhibit satisfactory Seebeck coefficients.

第一化合物としての用途に適しているその他の物質は熱
電的性質をもちかつBj、Sb、及びテルル化銅−錫の
ような第VIB族またはVB族を含有する物質を含む。
Other materials suitable for use as the first compound include materials that have thermoelectric properties and contain Group VIB or Group VB, such as Bj, Sb, and copper-tin telluride.

ここで開示するもの以外の結晶性物質が本発明に於ける
第−及び第二成分としての使用に適していることが予測
される。例えば、熱電的性質を示す結晶性化合物、特に
100μv/Cまたはそれより大きいゼーベック係数を
もつものを使用してよい。適当であるためには、このよ
5な化合物は、結合するときに少くとも一つの高電気伝
導相を形成し得る少くとも二つの元素をもつ第二成分の
少徽と結会し得て、第一化合物単独よりも高い電気伝導
度及び(または)第一化合物単独よりも低い熱伝導度を
もつ不規則配列熱電材料をつ(り出すべきである。
It is anticipated that crystalline materials other than those disclosed herein will be suitable for use as the first and second components in the present invention. For example, crystalline compounds exhibiting thermoelectric properties, especially those with a Seebeck coefficient of 100 μv/C or greater, may be used. Suitably, such a compound may be combined with a second component of at least two elements capable of forming at least one highly electrically conductive phase when combined; A disordered thermoelectric material should be produced that has a higher electrical conductivity than the first compound alone and/or a lower thermal conductivity than the first compound alone.

第二化合物は、比較的少量または少割合で第一化合物と
結合するどきk、第一成分の電気的及び熱的性質を変成
して第一化合物単独よりも高い電気伝導度及び(または
)#I−化合物単蝕よりも低い熱伝導度をもつ一つの熱
電材料の生成させ得るべきである。
When the second compound is combined with the first compound in a relatively small amount or proportion, it alters the electrical and thermal properties of the first component, resulting in a higher electrical conductivity and/or higher electrical conductivity than the first compound alone. It should be possible to produce a thermoelectric material with a lower thermal conductivity than the I-compound monolith.

電気伝導性を変成するためには、第二化合物は第一化合
物と結合するときに粒界開領域に於て高い伝導相(単数
または複数)を形成する。これらの萬伝導相は半導体元
素の複合体であることができ、それらの少くとも一つの
元素が他の半導体元素(単数または複数)より高い濃度
にあり、あるいは高濃度の高伝導性元素と他の伝導性の
低い元素との複合体であることができる。適当な変成用
化合物は第iB及びIB族遷移金属のテルル化物及びア
ンチモン化物を含むと信じられており、そしてより特定
的にいえば、銀、金、タリウム及びインジウムの二成分
または三成分のテルル化物及びアンチモン化物である。
To modify electrical conductivity, the second compound forms highly conductive phase(s) in the grain boundary open regions when combined with the first compound. These multiconducting phases can be complexes of semiconducting elements, at least one of which is in a higher concentration than the other semiconducting element(s), or a high concentration of highly conductive elements and other can be a complex with an element of low conductivity. Suitable modification compounds are believed to include tellurides and antimonides of Group IB and IB transition metals, and more particularly, binary or ternary tellurides of silver, gold, thallium, and indium. and antimonide.

これらの分類の中に入る化合物は例えばAgTe、 A
g2’re、 InSb、 AgSb。
Compounds that fall within these categories are, for example, AgTe, A
g2're, InSb, AgSb.

A uT e * A u 2 T e + A us
 b、 T l 2 T e t T j T e 、
 T7S b+及びTl5bTe であり、本発明の一
つの好ましい具体化によれば、A g 25 S b 
z s T e s。である。
A uT e * A u 2 T e + A us
b, T l 2 T e t T j T e ,
T7S b+ and Tl5bTe and, according to one preferred embodiment of the invention, A g 25 S b
z s T e s. It is.

第二化合物が本発明の方法によって第一化合物、と結合
するときに、第二化合物の元素の中の一つの著しい菫が
第一化合物のバルクの中に入り、粒界領域中に於て第二
化合物の残りの元素の複合体をあとにのこす。これらの
複合体はそれらの元素の少くとも一つの濃度が高い。も
し第二化合物の納会元素が等割合であるときに半導体で
ある場合には、これらの元素の複合体は一つの元素が他
の元素(単数または複数)より濃度が為いときにきわめ
て伝導性である。一つの元素がノZルクの中に選択的に
導入されるときには、粒界間領域中に残留するそれの少
量部?はバルク中に導入されない7G索と高電気伝導相
を形成するものと信じられる。
When the second compound is combined with the first compound by the method of the present invention, one significant violet among the elements of the second compound enters the bulk of the first compound and forms a violet in the grain boundary region. Leaving behind a complex of the remaining elements of the two compounds. These complexes have high concentrations of at least one of these elements. If the elements of a second compound are semiconductors when they are in equal proportions, then complexes of these elements are highly conductive when one element is more concentrated than the other element(s). It is. When one element is selectively introduced into the grain, a small portion of it remains in the intergranular regions? is believed to form a highly electrically conductive phase with the 7G cords that are not introduced into the bulk.

本発明の多相の不規則配列合金を形成させるための第−
及び第二化合物を処理する方法をここに記述する。個々
の化合物をまず適当な方法によって固体形態でつくる。
A method for forming the multiphase disordered alloy of the present invention.
and a second compound are described herein. The individual compounds are first prepared in solid form by a suitable method.

その後、第−及び第二の成分を粉砕しあるいはさもなけ
れば粒状形態に破砕し、所望割合で一緒に混合して好ま
しくは均質な粒状固体混合物を形成させる。混合物を次
に加熱して一つの溶融物を形成させる。好ましくは、こ
の混合物を第一化合物を港融しかつ第二化合物を部分溶
融するためのある昇温へ加熱する。さらに特定的にいえ
ば、溶融物の1!度は第一二化合物のいくつかの相を沈
澱させるべきである 加熱後、溶融物を好ましくは制御
した温度勾配を利用して冷却する。
Thereafter, the first and second components are ground or otherwise crushed into particulate form and mixed together in the desired proportions to form a preferably homogeneous particulate solid mixture. The mixture is then heated to form a melt. Preferably, the mixture is heated to an elevated temperature to partially melt the first compound and partially melt the second compound. More specifically, 1 of the melt! After heating, the melt is preferably cooled using a controlled temperature gradient.

好ましい昇温温度及び(または)加熱・冷却速度、は利
用する具体的な第−及び第二成分に依存して変る。
Preferred heating temperatures and/or heating/cooling rates will vary depending on the specific first and second components utilized.

昇温湿度及び加熱・冷却速度はf ) IJラックス結
晶の形態と寸法及び粒界開領域と粒界の不整配列に影醤
し、これはまた本発明の熱′#IL注材料の熱電的特性
に影譬を及ぼすかもしれない。第一成分のバルクの中に
入る第二成分の童は加熱及び冷却の址と速度にまた関係
するかもしれな(・。従って、加熱及び冷却の工程の蝋
適化が特定の第−及び第二[成分について必要とされる
かもしれない。
The temperature rise and humidity and the heating and cooling rate affect the morphology and size of IJ lux crystals, the grain boundary open area and the irregular arrangement of grain boundaries, which also affect the thermoelectric properties of the thermal IL injection material of the present invention. may have an impact on. The size of the second component that enters the bulk of the first component may also be related to the nature and rate of heating and cooling. Two ingredients may be required.

本発明の多相の不規則配列合金材料は例えば鉛、ビスマ
ス、アンチモン、テルル及び銀の重金属から形成される
のが好ましい。このような重金属はその低熱伝導度で有
名である。この種の元素はそれらのフォノン輸送が減少
するので低熱伝導性をもつ11本発明の合金はまた、別
々につくって次に結合させる少くとも第−及び第二の多
元素化合物からつくられる。この第−及び第二の化合物
は好ましくは固体形態でつ(す、固体粒状形に粉砕し所
望割合で一緒に混合して粒状の固体混合物を形成させる
。混合物を次にある昇温温度へ加熱し次いである温度勾
配中を引き出すことによって冷却した、。
The multiphase disordered alloy material of the present invention is preferably formed from heavy metals such as lead, bismuth, antimony, tellurium, and silver. Such heavy metals are notorious for their low thermal conductivity. These types of elements have low thermal conductivity because their phonon transport is reduced.11 The alloys of the present invention are also made from at least first and second multi-element compounds that are made separately and then combined. The first and second compounds are preferably in solid form and are ground into solid particulate form and mixed together in the desired proportions to form a particulate solid mixture. The mixture is then heated to an elevated temperature. and then cooled by drawing through a temperature gradient.

この工程の結果として、構造、組成物分布、及び熱的性
質と電気的性質が構成元素単独からつくった1゛乃員と
実質的に異なる合金材料が生ずる。第−及び第二の化合
物の各種組合せを得ることができ、所望性質を測定する
簡単な実験によって最適化することができることは予想
される。好ましい具体化に於て、p−型態電柱合金をつ
くるためには、第一化合物はビスマス、アンチモ/及び
テルルを10%から20%のビスマス、2υ係力ラ60
%のアンチモン及び60’j6のテルルの原子割合で含
む。好ましくは第一化合物はこれらの元素を原子割合で
それぞれ10%、304、及び60悌含む(B1toS
b3oTesg ) o n −fjli熱′−性合金
をつ(るためKは、第一化合物はビスマス、テルル、及
びセレンを約40%のビスマス、42%から54To(
1)テルル、及び184から6qbのセレンの原子割合
で含む。第二化合物は少くとも一つの高電気伝導性の元
素、例えば銀、を含む。第二化合物はまたアンチモンと
テルルを含んでいてもよい。
The result of this process is an alloy material whose structure, compositional distribution, and thermal and electrical properties are substantially different from those made from the constituent elements alone. It is anticipated that various combinations of first and second compounds can be obtained and optimized by simple experimentation to determine desired properties. In a preferred embodiment, to make a p-type utility pole alloy, the first compound is bismuth, antimony/tellurium, 10% to 20% bismuth, 2υ
% antimony and 60'j6 atomic proportions of tellurium. Preferably, the first compound contains 10%, 304, and 60% of these elements in atomic percentage, respectively (B1toS
b3oTesg) To create an on-fjli thermal alloy, the first compound is bismuth, tellurium, and selenium, with about 40% bismuth, 42% to 54To(
1) Contains an atomic proportion of tellurium and 184 to 6 qb selenium. The second compound includes at least one highly electrically conductive element, such as silver. The second compound may also include antimony and tellurium.

銀、アンチモン、及びテルル化合婆はこれらの元素をそ
れぞれ25%、25%及び50%の原子比で含む(A 
g 25 S b 25 T e s。)ことが好まし
い。第−及び第二化合物は別々に一蟹して粉砕する。そ
の後、第−化合物が97%から99.7596.第二化
合物が6%から0.25 %の範Hの所望割合で一緒に
混合して固体粒状混合物を形成させる。混合物を次に適
切な昇温、例えば約600Cから650Cへ加熱し、次
いで本明細書に於て変形垂直ブリッジマン法と定義する
一つの成長方法によって冷却する。この方法に於ては、
混合物は石英管の内部に入れ一つの温度勾配中を通して
その最大温度から室1!l\引き取る。
Silver, antimony, and tellurium compounds contain these elements in atomic ratios of 25%, 25%, and 50%, respectively (A
g 25 S b 25 T e s. ) is preferred. The first and second compounds are separately crushed and ground. After that, the number of compounds decreased from 97% to 99.7596. The second compounds are mixed together in desired proportions in the range H from 6% to 0.25% to form a solid particulate mixture. The mixture is then heated to a suitable temperature increase, eg, from about 600C to 650C, and then cooled by a growth process defined herein as a modified vertical Bridgman process. In this method,
The mixture is placed inside a quartz tube and passed through a temperature gradient from its maximum temperature to chamber 1! l\Take over.

B11oSb3゜Te6oによって例示される第一化合
物は菱面体結晶構造をもち連続の同溶体(Bi、Sbλ
Tea  からの一つの化合物である。Ag25Sb2
5Te5Gによって例示される第二化合物もまた結晶性
であるが面心立方型結晶構造をもち、これはもちろん第
一化合物の菱面体結晶構造とは異なっている。
The first compound exemplified by B11oSb3°Te6o has a rhombohedral crystal structure and is a continuous isosolute (Bi, Sbλ
One compound from Tea. Ag25Sb2
The second compound, exemplified by 5Te5G, is also crystalline but has a face-centered cubic crystal structure, which is of course different from the rhombohedral crystal structure of the first compound.

得られる材秤は不規則配列粒界及び粒界開領域によって
へだてられた多数のマトリックス微結晶をのより詳細な
表現を可能とする尺度に描かれていない。
The resulting material scale is not drawn to a scale that allows for a more detailed representation of the large number of matrix crystallites separated by irregularly arranged grain boundaries and grain boundary open regions.

AI述のように、合金10は多数のマトリックス微結晶
12を含んでいる。微結晶は不)itJlll配列の粒
界14と粒界開領域16とによってへだてられる。これ
らの遷移段階的諸相は組成がマトリックス微結晶の組成
から粒界関領域中の各種の相の組成へ変動している。粒
界開領域16は各種の相を含み、そのいくつかは銀成分
が多く、高伝導性の変成性相18並びに微小結晶介在g
Ij20さえも形成する。このマトリックス微結晶12
は一般的には10ミクロンの程度の幅をもち、粒界開領
域16は0.1ミクロンから6ミクロンの範囲の肉眼で
見える寸法である。
As described by AI, alloy 10 includes a large number of matrix crystallites 12. The microcrystals are separated by grain boundaries 14 having a non)itJllll arrangement and grain boundary open regions 16. These transitional phases vary in composition from that of the matrix crystallites to that of the various phases in the grain boundary regions. The grain boundary open region 16 contains various phases, some of which have a high silver content, a highly conductive metamorphic phase 18, and a microcrystalline intercalated phase.
Even Ij20 is formed. This matrix microcrystal 12
typically has a width on the order of 10 microns, and grain boundary open regions 16 have macroscopic dimensions ranging from 0.1 microns to 6 microns.

実施例 1 すぐ前に言及した合金を次の方法で特定的につくった。Example 1 The alloy just mentioned was specifically made in the following manner.

三成分系(B11゜Sb、oTe、、))と(Ag25
Sb 25 T13 s o )の両者を別々K、内径
/2インチ(1,27m)の真空石英管中に純元素(純
度99.999%)の適当部を密封することによってつ
くった。これらの物質を諸元素の置部熔融温度以上に数
時間保持し数回完全に混合して完全反応と液全体の均質
さを保証させた。この物質を固体結晶状に冷却して粉砕
した。組成物用の所望菫、ここでは99%のB 1s 
o Sb s o T e 、s o、を10−’ダラ
ムの梢度まで分析用天秤上で量で秤量した。この粒状物
質を内径4ia*、長さが10cmの石英管の中に入れ
た。石英管を密封し合金成長工程に対して準備する。合
金は変形の垂直ブリッジマン法によって、石英管を初め
の650Cから室温20cへと変る温度勾配中を垂直に
引き抜くことによって成長せしめられる。この管を30
 C/amの一定温度勾配下で60隻侍の速度で引き抜
く。成長した合金のインピットを開放し、切断し、25
0Cで約20時間焼鈍した。
Three-component system (B11°Sb, oTe, )) and (Ag25
Both Sb 25 T13 s o ) were made by sealing appropriate portions of elementally pure (99.999% purity) in separate K, internal diameter/2 inch (1.27 m) vacuum quartz tubes. These materials were held above the melting temperature of the various elements for several hours and thoroughly mixed several times to ensure complete reaction and homogeneity of the entire liquid. The material was cooled and ground into solid crystalline form. Desired violet for the composition, here 99% B 1s
o Sb s o T e , s o , was weighed in volume on an analytical balance to a 10-' Durham degree. This granular material was placed in a quartz tube with an internal diameter of 4 ia* and a length of 10 cm. The quartz tube is sealed and prepared for the alloy growth process. The alloy is grown by a modified vertical Bridgman method by vertically drawing a quartz tube through a temperature gradient varying from an initial 650C to room temperature 20C. This tube is 30
It is pulled out at a speed of 60 Samurai under a constant temperature gradient of C/am. The grown alloy impot is opened and cut, and 25
It was annealed at 0C for about 20 hours.

この合金を0.5μのX−線空間(5patial)鮮
像力をもたらす10KEYの加速電圧を用いたエネルギ
ー分散(Energy Dispergive ) X
 @分析(EDS)にかけた。100秒以下のスはクト
ル検知時間が用いられた。EDS分析の結果はマトリッ
クス微結晶12の組成は実質的に(B11゜Sb3゜T
e 6o )の組成蹟相当することを示した。これらの
微結晶はでたらめに配向し、でたらめの寸法をもち、で
たらめの形でありこれらはすべて所望の不規則配列に寄
与する。破断した粒界モ面の領域はAg−Teから成り
立ちアンチモン(Sb)またはビスマス(B1)を含ま
ない0粒界間領域中の銀対テルルの比は顕著な菫で2=
1に至るまで変動し、従ってここで記録する組成はA 
g 2 T e であった。
This alloy was subjected to Energy Dispergive
@ Analysis (EDS). A vector detection time of less than 100 seconds was used. The result of EDS analysis shows that the composition of matrix microcrystal 12 is essentially (B11°Sb3°T
It was shown that the composition corresponds to that of e 6o ). These crystallites are randomly oriented, have random dimensions, and are randomly shaped, all of which contribute to the desired random arrangement. The region of the fractured grain boundary plane consists of Ag-Te and does not contain antimony (Sb) or bismuth (B1).The ratio of silver to tellurium in the zero intergrain boundary region is markedly violet and 2=
1, so the composition recorded here is A
g 2 T e .

銀とテルルのその他の複合体も記録された。粒界中のい
くつかの領域は100%のテルルから成り立っているこ
とがわかった。
Other complexes of silver and tellurium were also recorded. It was found that some regions within the grain boundaries were composed of 100% tellurium.

上記の分析は、本発明の合金がきわめて不規則配列状態
にあることを示している。この分析はまた、二つの別々
の化合物が組合せられるときAg2,5b25To、。
The above analysis shows that the alloy of the present invention is highly disordered. This analysis also applies when two separate compounds are combined, Ag2,5b25To.

化合物のアンチモンがメルク中に分散して銀とテルルを
粒界14と粒界領域16中に残留することを確認した。
It was confirmed that the antimony compound was dispersed in Merck, leaving silver and tellurium in the grain boundaries 14 and grain boundary regions 16.

粒界開鎖域中の高電気伝導性元素、銀の存在は得られる
合金の高電気伝導度を得る手段となる。また、粒界の極
度の不規則配列及び粒界開領域16中の銀分の多いテル
ル相を含む高熱伝導でない変性相は、この合金の所望の
低熱伝導性を説明するものである。
The presence of the highly electrically conductive element silver in the grain boundary open chain region provides a means to obtain high electrical conductivity of the resulting alloy. Also, the highly irregular arrangement of the grain boundaries and the modified phase, which is not highly thermally conductive, including a silver-rich tellurium phase in the grain boundary open regions 16, account for the desired low thermal conductivity of this alloy.

B1□。S 1)s oT 8 s o結晶性化合物は
熱電的応用に於て使用される現在入手可能な物質である
。本発明の合金から得ることができる所望性質を説明す
るために、下の表の参照してもよいが、これはB 1 
、o S b 3o T es。化合物の室温ゼーベッ
ク係数に)、電気体導度(σ)、及び格子(laHlc
e )熱伝導度(KJ )を、このあとにさらに特別に
述べる本発明の方法による99%のB 1 i oSb
 a oTf3 、i oと1%のAg25Sb25T
e5゜とから形成された本発明の合金に対して比較する
ものである。
B1□. S 1) s o T 8 s o crystalline compounds are currently available materials used in thermoelectric applications. To illustrate the desired properties that can be obtained from the alloys of the invention, reference may be made to the table below, which includes B 1
, o S b 3o T es. room temperature Seebeck coefficient of the compound), electric conductivity (σ), and lattice (laHlc
e) Thermal conductivity (KJ) of 99% B 1 i oSb according to the method of the invention as described more specifically hereinafter.
aoTf3, io and 1% Ag25Sb25T
Comparison is made to the alloy of the present invention formed from e5°.

S(μV/l’)     160      120
(Ω−rz)−’    1250     4000
KIl(mW、4/K)    15      10
上表から、新合金の電気伝導度は従来技術の結晶性物買
の6倍でありかつ新合金の熱伝導度が従来技術の物質の
2/3であることがわかる。新合金のゼーベック係数は
従来技術の物質よりも20%小さいけれども、得られる
有能指数は実質的により高い電気伝導度と実質的により
低い熱伝導度のためKずつと大きい。それゆえ、本発明
は従来の結晶性または多結晶性の物質に於て得られない
重要要因のより大きい独立的制御を提供するものである
ことが知られる。
S (μV/l') 160 120
(Ω-rz)-' 1250 4000
KIl (mW, 4/K) 15 10
From the table above, it can be seen that the electrical conductivity of the new alloy is 6 times that of the prior art crystalline material, and the thermal conductivity of the new alloy is 2/3 that of the prior art material. Although the Seebeck coefficient of the new alloy is 20% lower than that of the prior art material, the resulting performance index is K higher due to the substantially higher electrical conductivity and substantially lower thermal conductivity. It is therefore seen that the present invention provides greater independent control of critical factors not available with conventional crystalline or polycrystalline materials.

哀練l二J 前記の方法によりつくった97%から9975優のB 
i □oS ba oT et、oと3優から0.25
%のAg25S ’b 25T es。の割合をもつ各
種の合金はすべて、特に100Cから20DCの範囲に
わたって望ましい熱電的性質を示した。第2図から第5
図は上述の方法によって製作した以下に列記の合金につ
いて有能指数、電気伝導度、熱伝導度、及びゼーはツク
係数を示すグラフである。
Airen I2J B of 9975 from 97% made by the above method
i □oS ba oT et, o and 0.25 from 3rd place
%Ag25S'b25Tes. All the various alloys with proportions of . Figures 2 to 5
The figure is a graph showing the performance index, electrical conductivity, thermal conductivity, and Seek coefficient for the alloys listed below prepared by the above-described method.

実施例 2(8110S’1oTe40)*、5+(Ag26S
b25TeSo)O0S6(B110Sb30Te6G
)99 + (Ag2sSb2!Te50)14   
(B11Sb30Te!G)98.IS+(Ag25S
b25Te!to)L、55(B110Sb30Te!
G)9#+(Ag2sSb25Tθ5o)2この各種合
金についての曲線はAg□Sb25Tf3 s。
Example 2 (8110S'1oTe40)*, 5+(Ag26S
b25TeSo)O0S6(B110Sb30Te6G
)99 + (Ag2sSb2!Te50)14
(B11Sb30Te!G)98. IS+(Ag25S
b25Te! to) L, 55 (B110Sb30Te!
G)9#+(Ag2sSb25Tθ5o)2 The curves for this various alloys are Ag□Sb25Tf3 s.

化合物の混入量により【示されている。第6図に示す合
金の電気伝導度を第4図に示す熱伝導度と比較するとき
に見られるように、この合金の電気伝導度はその中に組
入れられる第二化合物(Ag25Sb2sTe5g)の
量によって制御することができる。
[Indicated by the amount of compound mixed in.] As can be seen when comparing the electrical conductivity of the alloy shown in Figure 6 with the thermal conductivity shown in Figure 4, the electrical conductivity of this alloy depends on the amount of the second compound (Ag25Sb2sTe5g) incorporated therein. can be controlled.

電気伝導度は制御できるが熱伝導度は各々の合金につい
て実質的に同じままである。
Although electrical conductivity can be controlled, thermal conductivity remains substantially the same for each alloy.

第5図からは、ゼーベック係数は第二化合物組入れの増
加とともにやや減少するように思われることがまた知ら
れる。しかし、第二化合物の組入れが1%に達すると、
ゼーベック係数は実質上変化しない。
It can also be seen from Figure 5 that the Seebeck coefficient appears to decrease slightly with increasing incorporation of the second compound. However, when the incorporation of the second compound reaches 1%,
The Seebeck coefficient remains virtually unchanged.

第2図のI!1線はもちろん第6図から第5図に示す諸
因子の組合せ効果を表わしている。ここでは、約0.5
%の第二化合物をもつ合金が約140Cまでで最良の有
能指数を現わすことが見られる。約140Cから200
Cに於て、約1qbの第二化合物を含む合金が最良の有
能指数を示す。従って、本発明の合金はきわめて重要な
1oocから200Cの温度領域に於て良好な有能指数
を示すだけでな(、さらに、これらの合金は第二化合物
の適切な量の組入れによって所望温度領域内で熱電的性
能を最適化するために仕立てることができる。これらの
蝕得な結果はまた製作の安定性と容易さにも反映する。
I in Figure 2! The first line, of course, represents the combined effect of the various factors shown in FIGS. 6 to 5. Here, about 0.5
It is seen that the alloy with % of the second compound exhibits the best performance index up to about 140C. Approximately 140C to 200C
At C, alloys containing about 1 qb of the second compound exhibit the best performance index. Therefore, the alloys of the present invention not only exhibit a good performance index in the all-important temperature range of 100C to 200C (furthermore, these alloys can be controlled in the desired temperature range by incorporation of appropriate amounts of secondary compounds). These beneficial results also reflect stability and ease of fabrication.

第6図は約10Cから約200Cの温度領域にわたって
(B111)Sb30Te@G)9G+(Ag25sb
25Te50)1の合金についてS σの積を示してい
る。この積は100Cに於て最大であることが認められ
る。
Figure 6 shows (B111)Sb30Te@G)9G+(Ag25sb
The product of S σ is shown for the alloy 25Te50)1. It is observed that this product is maximum at 100C.

この材料のjK能指数が一方では熱伝導度がわずかに増
えながらまた蝋大値に達し始めるのはこの点に於てであ
る。
It is at this point that the jK index of the material begins to reach its maximum value again while the thermal conductivity increases slightly.

本発明の概念が一つの一般的概念であることを確かめて
、我々は合金がp−型またはn−型のビープセントのい
ずれかを含むことができることを発見した。これらの中
で、鉛のようなp−1[)”−、eントを使用すること
ができる。画業に於てn−型ドーパントとしてよ(知ら
れている沃化テルル(T e I 4 )  またはテ
ルルのようなその他のト1)  ノζントも本発明の実
施に際して使用することができる。ト9−ノセント、好
ましくは沃化テルル(T e I 4 )、は合金製造
中に第一化合物(B10.Sb3゜Te、−へ添加する
ことによって82σ積を最大化するよう合金中に組入れ
る。例えば、僅かに01%と1%の沃化テルルを必要と
するのみである。また、他のn−mト’−/’!ント例
えば塩化カド0ミウム(CchCl 、 )、塩化亜鉛
(ZnCjz)、または塩化水銀(HgGl 2)も使
用できる。
Confirming that the concept of the present invention is a general concept, we have discovered that the alloy can include either p-type or n-type beepscents. Among these, p-1[)''-, such as lead, can be used as an n-type dopant in the art (known as tellurium iodide (T e I 4 )). Alternatively, other compounds, such as tellurium, can also be used in the practice of the present invention.T9-nocents, preferably tellurium iodide (T e I 4 ), are added to the first compound during alloy preparation. (B10.Sb3°Te, - is incorporated into the alloy to maximize the 82σ product. For example, only 0.1% and 1% tellurium iodide is required. Examples of compounds such as cadmium chloride (CchCl), zinc chloride (ZnCjz), or mercury chloride (HgGl2) can also be used.

実施例6−10 第7図は(B110Sb30Te6G)911+(Ag
25sb25Te5G)10合金について約25rから
200cの温度範囲にわたってT e 14の濃度が0
.2%、0.3%、0.4%、0.5%及び1%の場合
の有能指数を示している。
Example 6-10 Figure 7 shows (B110Sb30Te6G)911+(Ag
25sb25Te5G) 10 alloy with a concentration of T e 14 of 0 over a temperature range of about 25r to 200c.
.. The competency index is shown for 2%, 0.3%, 0.4%, 0.5% and 1%.

ここでは、合金が約0.4%のTel、を組入れるとき
に約5Orから約120Cで最良の有能用数本 を示すことが認められる。約0.2 %のT e I 
4を含めるときには約12DCからその有能指数は最良
である。示された全温度範囲については、約0.2%の
T e I 4を含む合金が最良の総体的有能指数な示
している。ここでもまた、本発明の合金は本発明によっ
て、所望温度範囲にわたる特別の特性を与えるよう仕立
てることができることが見られる。
It is observed here that the alloy exhibits some of the best performance from about 5 Or to about 120 C when incorporating about 0.4% Tel. Approximately 0.2% T e I
Its capability index is best from about 12 DC when including 4. For the entire temperature range shown, alloys containing approximately 0.2% T e I 4 exhibit the best overall performance index. Once again, it is seen that the alloys of the present invention can be tailored according to the present invention to provide particular properties over a desired temperature range.

実施例 11 本実施例に於て用いる出発n−fJ!物質は0.15係
の塩化カド電つム(CdGj2.、)で以てド−プした
B i 40 T f354 S @ gの組成物をも
ち1%の(Ag2.Sb2゜Tes。)と−緒に合金化
した。この合金は10s/時の速度でブリッジマン炉中
で成長させる前K 800Cで2FI#間合成した。こ
の合金化によって電気伝導度(σ)は増大し、ゼーベッ
ク係数0は150C以上の温度に麿て出発物質B14゜
T el s 4 S e 6よりも高い値をもってい
た。有能指数に)はゼーベック係数(S)と同じ温度挙
動をもっていた。それゆえ、標準的なn−型の熱電性物
質B1□(Te、5e)3は本発明の概念を実施するこ
とKよって、p−型物質として改良され得る。
Example 11 Starting n−fJ! used in this example! The material has a composition of B i 40 T f354 S @ g doped with 0.15% CadO chloride (CdGj2.) and 1% (Ag2.Sb2°Tes.). Alloyed together. This alloy was synthesized for 2FI# at K 800C before being grown in a Bridgman furnace at a rate of 10 s/h. This alloying increased the electrical conductivity (σ), and the Seebeck coefficient 0 had a higher value than that of the starting material B14° T el s 4 S e 6 at temperatures above 150°C. The performance index) had the same temperature behavior as the Seebeck coefficient (S). Therefore, the standard n-type thermoelectric material B1□(Te,5e)3 can be modified as a p-type material by implementing the concepts of the present invention.

実施例12−15 実施例12−15のn−=1111合金の組成:(XX
1%TeI4ドープのB’40Te411Se12)9
8 ”(Ag25Sb25Te!10)1をもち、Xハ
0.0.05゜0.10及び0.20である。
Example 12-15 Composition of n-=1111 alloy of Example 12-15: (XX
1% TeI4 doped B'40Te411Se12)9
8'' (Ag25Sb25Te!10)1, and X is 0.0.05°0.10 and 0.20.

これらの合金は、ビープまたは非ト9−プの、ビスマス
、テルル及びセレンの第−化合物及び釧、アンチモン、
及びテルルの第二化合物を別々に、それぞれの構成元素
を適切な割合に秤菫し、101トールの石英管中に封入
し、800Cで2時間熔融することによってまず合成す
ることにより調製した。その後、熔融物を急冷した。第
一化合物の各々は次に指示の割合で第二化合物と粒状混
合物の形態に組合わせ、800Cに於て数時間熔融した
。冷却後、四つの化合物の各々をそれぞれの内径5 x
mの石英管の中に入れた。石英管を101トールへ真空
とし約650Cへ加熱し60砕−の温度勾配の中を10
峰旬の速度で室温へ引き出した。
These alloys include beep or non-topic compounds of bismuth, tellurium and selenium, and antimony, antimony,
and a second compound of tellurium were separately prepared by first synthesizing the respective constituent elements by weighing them in appropriate proportions, sealing them in a 101 Torr quartz tube, and melting them at 800C for 2 hours. Thereafter, the melt was rapidly cooled. Each of the first compounds was then combined with the second compound in the indicated proportions in the form of a particulate mixture and melted at 800C for several hours. After cooling, each of the four compounds had its own internal diameter of 5 x
It was placed in a quartz tube of m. The quartz tube was evacuated to 101 Torr, heated to approximately 650C, and passed through a temperature gradient of 60°C to 10°C.
I pulled it out to room temperature at Mineshun's speed.

第8図はこれらの合金の各々と慣用の従来技術の多結晶
B1゜(Te、5e)3物質について有能指数■対温度
の図を示すものである。認め得るように、ト9−プされ
ていない合金と105JT量優の沃化テルルをもつ合金
は約80C以上に於て慣用葡質よりも大きい有能指数を
もち、一方、o、ioと020重量係の沃化テルルをも
つ合金は約140C以上で慣用物質より大きい有能指数
をもっている。
FIG. 8 shows a plot of performance index vs. temperature for each of these alloys and the conventional prior art polycrystalline B1°(Te,5e)3 material. As can be seen, the untopped alloys and the alloys with a predominant tellurium iodide content of 105JT have larger performance indices than the conventional grapes above about 80C, while o, io and 020 Alloys with tellurium iodide by weight have a performance index greater than conventional materials above about 140C.

0.20重量係の沃化テルルをもつ合金は約200C以
上で最良の有能指数をもっている。従って、有能指数は
ビーノセ/トの濃度を変動させることによって所望温度
範囲について仕立てることができる。
Alloys with 0.20 weight factor tellurium iodide have the best performance indices above about 200C. Therefore, the performance index can be tailored for a desired temperature range by varying the concentration of vinoce/t.

250 CK於て、α20電蓋優の沃化テルルをもつ合
金が慣用物質のはとんと2倍である有能指数をもつとい
う事実はまた意義のあることである。
It is also significant that the alloy with tellurium iodide of 250 CK has a performance index that is more than double that of the conventional material.

これは有能指数と温度の積(ZT)が温度差を電気エネ
ルギーに転換する際の物質の効率に直接的に関係するの
で1i賛である。従って、250Cの温度に於て、多く
の廃熱の応用に対応して、この合金が慣用材料よりも1
00%近くより有効であり得る。
This is favorable because the product of capacity index and temperature (ZT) is directly related to the efficiency of a material in converting temperature differences into electrical energy. Therefore, at a temperature of 250C, this alloy is 1
It can be nearly 0.00% more effective.

実施例16−18のn−型合金は次の組成:01Ji%
T e I 4  トーフノ’(’)Bi 4 oT8
4□Se 1g )m s +(Ag25Sb25Te
iQ)1  をもち、Xは0.[110゜及び0120
に等しい。
The n-type alloy of Examples 16-18 had the following composition: 01Ji%
T e I 4 Tofuno'(')Bi 4 oT8
4□Se 1g ) m s + (Ag25Sb25Te
iQ)1 and X is 0. [110° and 0120
be equivalent to.

これらの合金を実施例12−15のn−型合金の製造に
ついて上述したのと同じ方法によって調製した。
These alloys were prepared by the same method described above for the preparation of the n-type alloys of Examples 12-15.

第9図はこれらの合金の各々と慣用の従来技術の多結晶
性物質B1□(Te、5e)aについて有能指数■対温
度を示すものである。見られる通り、ト9−プされてい
ない合金は約160C以上で慣用物質よりも大きい有能
指数をもつ。0.10及び0.20電1%の沃化テルル
を含む合金はそれぞれ約140C及び175C以上でよ
り大きい有能指数をもつ。
FIG. 9 shows the performance index vs. temperature for each of these alloys and the conventional prior art polycrystalline material B1□(Te,5e)a. As can be seen, the untopped alloy has a greater performance index than the conventional material above about 160C. Alloys containing 0.10 and 0.20% tellurium iodide have higher performance indices above about 140C and 175C, respectively.

ド−プされていない合金は約220C以上で最良の有能
指数をもつ。それゆえ第9図は、ドー、eント盪度を変
えることにより有能指数を特定温度範囲について仕立て
−ることをさらに示している。
Undoped alloys have the best performance index above about 220C. FIG. 9 therefore further illustrates that the performance index can be tailored for a particular temperature range by varying the degree of temperature.

またここでも、250Cに於て、ドープされていない合
金が慣用の多結晶性物質よりほぼ2倍の有能指数をもつ
ことに注目されたい。第8e7に関して上に説明したよ
うに、このことは多(の廃熱応用lit当する温度に於
てこの合金を慣用物質よりもはるかに望ましいものとさ
せるものである。
Note also that at 250C, the undoped alloy has a performance index nearly twice that of conventional polycrystalline materials. As explained above with respect to Section 8e7, this makes this alloy much more desirable than conventional materials at temperatures relevant to many waste heat applications.

上記のことから、本発明は熱電的応用のための新規で改
良された合金及びその製造方法を提供するものであるこ
とが評価できる。これらの合金は不規則配列であるので
、その電気伝4度は熱伝導性に影譬を及ばすことなく望
み通りに仕立てることができる。また、本発明の合金の
あるものは100Cから200Cの1喪な温度鱒囲の中
での熱電的応用に適している。そのwA囲に於て それ
らは従来既知の結晶性物質よりも少くとも25q6から
40ToK及ぶより喪好な有能指数を示す。製造の谷易
さと作動の安定性は、純度、化学量論及び欠陥制御を要
求した従来の物質よりはるかにすぐれている。
From the foregoing, it can be appreciated that the present invention provides a new and improved alloy and method for making the same for thermoelectric applications. Because these alloys are randomly arranged, their electrical conductivity can be tailored as desired without affecting their thermal conductivity. Additionally, some of the alloys of the present invention are suitable for thermoelectric applications in temperature ranges as low as 100C to 200C. In their wA range, they exhibit a more favorable performance index than previously known crystalline materials, ranging from at least 25q6 to 40 ToK. Ease of manufacture and stability of operation are far superior to conventional materials requiring purity, stoichiometry, and defect control.

鵠記のことのはかに、第−及び第二の化合物が電気伝導
性であることが必要でない。事実、Ag□Sb□T e
 s。化合物はそれ自体は良好な電気伝導性な示さない
。しかし、本発明の巨視的変成によって第二化合物と組
合わせるとき、その構成化合吻率醜のいずれよりも高い
電気伝導度をもつ新規で改良された熱電的合金が生ずる
。これらの化合物の少くとも一つが適当なゼーベック係
数を示すことが好ましいけれども、これらの化合物の一
つかそれ自体良好な熱電性物質であることもまた必要で
はない。本発明の方法によって、lJT規で改良された
熱電性?J質が満足すべきゼーベック係数をもつかしか
し不満足な電気的及び熱的伝導性質をもつ物質から製作
することができる。さらに、第−及び第二化合物かその
結晶系に於て菱面体及び面心立方型であることもまた必
要ではない。そ    ゛の他の幾何形態が本発明の実
施に於て詐容される。
Additionally, it is not necessary that the first and second compounds be electrically conductive. In fact, Ag□Sb□T e
s. The compound itself does not exhibit good electrical conductivity. However, when combined with a second compound, the macroscopic transformation of the present invention results in a new and improved thermoelectric alloy with higher electrical conductivity than any of its constituent compounds. Although it is preferred that at least one of these compounds exhibits a suitable Seebeck coefficient, it is also not necessary that one of these compounds is itself a good thermoelectric material. Improved thermoelectricity according to the IJT standard by the method of the present invention? J quality can be fabricated from materials with satisfactory Seebeck coefficients but unsatisfactory electrical and thermal conductivity properties. Furthermore, it is also not necessary that the first and second compounds be rhombohedral and face-centered cubic in their crystal systems. Other geometries are contemplated in the practice of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の方法に従ってつくった材料の構造を描
く断片的断面図であり; 第2図は本発明の各種合金について有能指数対温度の関
係を描(グラフであり; 第3因は本発明の各種合金について電気伝導度C)対温
度を描くグ27であり; 蕗4図は本発明の各種合金について熱伝導度(へ)対温
度を描くグラフであり; 第5図は本発明の各種合金についてゼーベック係数に)
対温度を描くグラフであり; 第6図は本発明の各種合金についてのS σ対温度のグ
ラフであり: 第7図は各**度の沃化テルルを中に含む本発明の各種
合金について、有能指数c1.)対温度の央を描くグラ
フであり: 第8図は各IE#度の沃化テルルを中に含む本発明の実
施12−15のn−型合金について有能指数■対温度の
姿を描くグラフであり; 第9図は各llll11度の沃化テルルを中に含む本発
明の実施例16−19のn−型合金について有能指数の
対温度の姿を描くブックである。 %l’F出願人  エナージー・コンバージョン・デバ
イセス・インコーホレーテッド FIG I FIG、 2 FIG  3 FIG、  4 11ら、 t 手  続  補  正  書 1事件の表示 昭和58年特許願第 8614  号 2、発明の名称 新規多相熱電性合金及びその製造方法 ろ補正をする者 事件との関係  特許出願人 住所 4、代 理 人 5袖+I’、の対象 明細11シの〔特許請求の範囲〕の欄 6、袖11−の内′谷 (別紙) (1)特許請求の範囲を下記の通り訂正する。 る伝熱伝導度及び高電気伝導度をもつ熱電的応用のため
の材料。 意、上記の一つの変性相が上記熱伝導度と独立に電気伝
導を制御することKよって上記材料のマトリックス(1
2)を変性することを特徴とする特許請求の範囲第1項
に記載の材料。 3゜上記材料の熱伝導度を独立に制御するためのもう一
つの相を特徴とする特許請求の範囲第2項に記載の材料
。 4、上記のもう一つの相を上記材料の熱伝導度を低下さ
せるように適応させることをさらに特徴とする、特許請
求の範囲第6項に記載の材料。 6、上記微結晶(12)が少くともビスマス、テルル、
及びアンチモンを含むことを特徴とする特許請求の範囲
第1項に記載の材料。 6、上記の少くとも一つの追加の相が高電気伝導度をも
つ少くとも一つの元素を含むことを特徴とする特許請求
の範囲第1項に記載の材料。 7゜上記の材料が少くともビスマス、テルル、アンチモ
ン及び銀を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項
から第6項のいずれかに記載の材料っ 8、上記マ) IJラックス結晶(12)と上記粒界開
領域(16)との間の粒界(14)を特徴としそしてこ
の粒界が遷移段階的諸相を含む、特許請求の範囲第1項
に記載の材料。 96上記の遷移段階諸相がその組成に於て上記微結晶(
12)の組成から上記粒界開領域(16)内の相の組成
に変動することを特徴とする特許請求の範囲第8項に記
載の材料。 10゜少 くとも第−及び第二の多元素化合物の混合物
を形成し、これら化合物の少くとも一つが高電気伝導度
をもつ少くとも一つの元素を含み;この混合物をある昇
温湿度へ加熱し;そしてその後この混合物を冷却してこ
の混合物から、高電気伝導度をもつ上記の少くとも一つ
の元素を中にもつ電気伝導相を少くとも有する巨視的の
不規則配列粒界開領域によって隔てられた多数のマ) 
IJラックス結晶の第−相から成る多相固体合金材料を
形成させる;賭工程を特徴とする、低熱伝導度及び高電
気伝導度をもつ熱電的応用のための材料の製造方法。 11、上記第一の多元素化合物がビスマス、アンチモン
、及びテルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第
10項に記載の方法。 lj上記第二の多元素化合物が銀、アンチモン、及びテ
ルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第10項ま
たは第11項のいずれかに記載の方法。 13゜上記第一化合物が10から20%のビスマ良 ス、20から60%のアンチモン、及び60%のテルル
から成ることを特徴とする特許請求の範囲第12項に記
載の方法。 14、上記第二化合物が25%の銀、25%のアンチモ
ン、及び50%のテルルから成ることを特徴とする特許
請求の範囲第16項に記載の方法。 15゜上記の材料がビスマス、テルル、及びセレンな少
くとも含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
載の材料。 】6゜上記第一の多元素化合物がビスマス、テルル、及
びセレンを含むことを特徴とする特許請求の範囲第10
項に記載の方法。 I7゜上記第二の多元素化合物が銀、アンチモン、及び
テルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第16項
に記載の方法。」 以    上
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view depicting the structure of a material made according to the method of the invention; FIG. 2 is a graph depicting the capability index vs. temperature for various alloys of the invention; Figure 27 is a graph depicting the electrical conductivity C) versus temperature for various alloys of the present invention; Figure 4 is a graph depicting the thermal conductivity C) versus temperature for various alloys of the present invention; Seebeck coefficient for various alloys of the invention)
FIG. 6 is a graph of Sσ versus temperature for various alloys of the present invention; FIG. 7 is a graph of Sσ versus temperature for various alloys of the present invention containing tellurium iodide at various degrees , ability index c1. ) is a graph depicting the center of temperature vs. temperature: Figure 8 depicts the capability index ■ vs. temperature for the n-type alloys of Examples 12-15 of the present invention containing tellurium iodide of each IE # degree. It is a graph; FIG. 9 is a book depicting the performance index versus temperature for the n-type alloys of Examples 16-19 of the present invention each containing 11 degrees of tellurium iodide. %l'F Applicant Energy Conversion Devices Incorporated FIG I FIG, 2 FIG 3 FIG, 4 11 et al. Name of New Multi-Phase Thermoelectric Alloy and Process for Producing the Same Relationship with the Case of Person Who Amends Patent Applicant Address 4, Agent 5 Sleeve + I', [Claims] Column 6 of Subject Specification 11C , Sode 11-no Uchi'tani (Attachment) (1) The scope of the claims is amended as follows. Materials for thermoelectric applications with high thermal conductivity and high electrical conductivity. This means that the one modified phase controls the electrical conduction independently of the thermal conductivity, so that the matrix of the material (1
2) The material according to claim 1, characterized in that it is modified by: 3. A material according to claim 2, characterized by another phase for independently controlling the thermal conductivity of the material. 4. Material according to claim 6, further characterized in that said further phase is adapted to reduce the thermal conductivity of said material. 6. The above-mentioned microcrystal (12) is at least bismuth, tellurium,
The material according to claim 1, characterized in that it contains antimony and antimony. 6. Material according to claim 1, characterized in that said at least one additional phase contains at least one element with high electrical conductivity. 7゜The material according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the above-mentioned material contains at least bismuth, tellurium, antimony and silver.8) IJ lux crystal ( 12) A material according to claim 1, characterized by a grain boundary (14) between the grain boundary open region (16) and said grain boundary comprising transitional graded phases. 96 The transition stage phases described above are similar in composition to the microcrystalline (
9. A material according to claim 8, characterized in that the composition of the phase in the grain boundary open region (16) varies from the composition of 12). 10° forming a mixture of at least a first and a second multi-element compound, at least one of which includes at least one element with high electrical conductivity; heating this mixture to an elevated temperature and humidity; and then cools the mixture and separates the mixture from the mixture by macroscopic irregularly ordered grain boundary open regions having at least an electrically conductive phase having at least one of the above-mentioned elements having high electrical conductivity. (a large number of Ma)
A method for producing a material for thermoelectric applications with low thermal conductivity and high electrical conductivity, characterized by a step of forming a multiphase solid alloy material consisting of a phase of IJ lux crystals. 11. The method of claim 10, wherein the first multi-element compound comprises bismuth, antimony, and tellurium. 12. The method of claim 10 or claim 11, wherein the second multi-element compound comprises silver, antimony, and tellurium. 13. The method of claim 12, wherein said first compound consists of 10 to 20% bismarene, 20 to 60% antimony, and 60% tellurium. 14. The method of claim 16, wherein said second compound consists of 25% silver, 25% antimony, and 50% tellurium. 15. The material of claim 1, wherein said material comprises at least bismuth, tellurium, and selenium. 6. Claim 10, wherein the first multi-element compound contains bismuth, tellurium, and selenium.
The method described in section. 17. The method of claim 16, wherein said second multi-element compound comprises silver, antimony and tellurium. "that's all

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、 多数のマトリックス徽結晶(12)を含み、この
微結晶が導入された少くとも一つの変性相を含有して材
料の電気伝導度を増す巨視的粒界開領域(16)によっ
て隔てられている、ことをtP!f[とする、低熱伝導
度及び高電気伝導度をもつ熱電的応用のための材料。 2、上記の一つの変性相が上配熱伝導度と独立に電気伝
導を制御することKよって上記材料のマトリックス(1
2)を変性することを特徴とする特許請求の範囲第1項
に記載の材料。 3、上記材料の熱伝導度を独立に制御するためのも5一
つの相を特徴とする特許請求の範囲第2項に記載の材料
。 4、上記のもう一つの相を上記材料の熱伝導度を低下さ
せるように適応させることをさらに相似とする、特、f
f請求の範囲第3項に記載の材料。 5、上記微結晶(12)が少くともビスマス、テルル、
及びアンチモンを含むことを特徴とする特、ff請求の
範囲第1項に記載の材料。 6 上記の少くとも一つの追加の相が為電気伝導度をも
つ少くとも−っの元素を含むことを特徴とする特許請求
の範囲@1項に記載の材料。 7、上記の材料が少くともビスマス、テルル、アンチモ
ン及び銀を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項
から第6項のいずれかに記載の材料。 8、上記マトリックス微結J& (12)と上記粒界開
領域(16)との間の粒界を特徴としそしてこの粒界が
遷移段階的諸相を含む、特許請求の範囲第1項に記載の
材料。 9、上記の遷移段階的諸相がその組成に於て上記微結晶
(12)の組成から上記粒界開領域(16)の組成に変
動することを特徴とする特許請求の範囲第8項に記載の
材料。 10  少くとも第−及び第二の多元素化合物の混合物
を形成し、これら化合物の少(とも一つが高電気伝導度
をもつ少くとも一つの元素を含み;この混合物をある昇
温湿度へ加熱し;そしてその後この混合物を冷却し【こ
の混合物から、高電気伝導度をもつ上記の少くとも一つ
の元素を中にもつ電気伝導相を少くとも有する巨視的の
不規則配列粒界開領域によって隔てられた多数のマトリ
ックス微結晶の第−相から成る多相固体合金材料を形成
させる:諸工程を特徴とする、低熱伝導度及び−電気伝
導度をもつ熱電的応用のための材料の製造方法。 11、上記第一の多元素化合物がビスマス、アンチモン
、及びテルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第
10項に記載の方法。 12、  上記第二の多元素化合物が銀、アンチモン、
及びテルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第1
0項または第11項のいずれかに記載の方法。 13、  上記第一化合物が10から20%のビスマス
、20から60%のアンチモン、及び60%のテルルか
ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第12項に記載
の方法。 14、上記第二化合物が25%の銀、25%のアンチモ
ン、及び50%のテルルから成ることを特徴とする、%
!11!F請求の範囲第16項に記載の方法。 15、上記の材料がビスマス、テルル、及びセレンを少
くとも含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
載の材料。 16、  上記第一の多元素化合物がビスマス、テルル
、及びセレンを含むことを特徴とする特許請求の屹l第
10項に記載の方法。 17、上記第二の多元素化合物が銀、アンチモン、及び
テルルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第16項
に記載の方法。
[Claims] 1. A macroscopic grain boundary open region (12) containing a large number of matrix crystals (12) and containing at least one modified phase into which the microcrystals are introduced to increase the electrical conductivity of the material. 16) is separated by tP! f[, a material for thermoelectric applications with low thermal conductivity and high electrical conductivity. 2. One of the above modified phases controls electrical conduction independently of the upper thermal conductivity.
2) The material according to claim 1, characterized in that it is modified by: 3. The material according to claim 2, characterized by one phase for independently controlling the thermal conductivity of the material. 4. Further analogous to adapting another phase of the above to reduce the thermal conductivity of the material, especially, f
f. The material according to claim 3. 5. The microcrystal (12) is at least bismuth, tellurium,
The material according to claim 1, characterized in that it contains antimony and antimony. 6. Material according to claim 1, characterized in that said at least one additional phase contains at least one element with electrical conductivity. 7. The material according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said material contains at least bismuth, tellurium, antimony and silver. 8. The method according to claim 1, characterized by a grain boundary between said matrix fine J& (12) and said grain boundary open region (16), and said grain boundary comprises transition graded phases. material. 9. According to claim 8, said transitional phases vary in their composition from the composition of said microcrystals (12) to the composition of said grain boundary open regions (16). material. 10 forming a mixture of at least a first and a second multi-element compound, at least one of which contains at least one element with high electrical conductivity; heating the mixture to an elevated temperature and humidity; and then the mixture is cooled and separated by macroscopic irregularly ordered grain boundary open regions having at least an electrically conductive phase containing at least one of the above-mentioned elements with high electrical conductivity. 11. A method for producing a material for thermoelectric applications with low thermal and electrical conductivity, characterized by steps: forming a multiphase solid alloy material consisting of a large number of matrix crystallite phases. 12. The method of claim 10, wherein the first multi-element compound comprises bismuth, antimony and tellurium. 12. The second multi-element compound comprises silver, antimony,
Claim 1 characterized in that it contains tellurium and tellurium.
The method according to any one of Items 0 and 11. 13. The method of claim 12, wherein the first compound consists of 10 to 20% bismuth, 20 to 60% antimony, and 60% tellurium. 14.% characterized in that said second compound consists of 25% silver, 25% antimony, and 50% tellurium.
! 11! F. The method according to claim 16. 15. The material of claim 1, wherein said material contains at least bismuth, tellurium, and selenium. 16. The method of claim 10, wherein the first multi-element compound comprises bismuth, tellurium, and selenium. 17. The method of claim 16, wherein the second multi-element compound comprises silver, antimony, and tellurium.
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