JPWO2018117045A1 - Thermoelectric materials and thermoelectric modules - Google Patents

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Abstract

【課題】ナノ粒子の原料を製造するプロセスが不要であり、量子閉じ込め効果によって電気伝導度やゼーベック係数を向上させることができ、実用化も期待できる、性能指数を向上した熱電材料および熱電モジュール提供する。【解決手段】第一の結晶相11と、熱電効果を有する第二の結晶相12とを有する構造体から成る。第一の結晶相11は、第二の結晶相12と共晶組織を形成している。構造体の対向する二面で、第一の結晶相11および第二の結晶相12が、それぞれ連続または分散して存在している。第一の結晶相11が第二の結晶相12の周りに位置しており、または、第二の結晶相12が第一の結晶相11の周りに位置しており、且つ、第一の結晶相11が第二の結晶相12の熱伝導度を低下させている、または、第二の結晶相12の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加している。【選択図】図1Provided are a thermoelectric material and a thermoelectric module with an improved figure of merit, which do not require a process for producing raw materials of nanoparticles, can improve electric conductivity and Seebeck coefficient by quantum confinement effect, and can be expected to be put to practical use To do. The structure comprises a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect. The first crystal phase 11 forms a eutectic structure with the second crystal phase 12. The first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 are present continuously or dispersed on the two opposing surfaces of the structure. The first crystal phase 11 is located around the second crystal phase 12, or the second crystal phase 12 is located around the first crystal phase 11, and the first crystal The phase 11 decreases the thermal conductivity of the second crystalline phase 12, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystalline phase 12 increases. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、熱電材料、特に温度差により発電を呈する熱電材料、およびその熱電材料を用いた熱電モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric material, in particular, a thermoelectric material that generates power due to a temperature difference, and a thermoelectric module using the thermoelectric material.

未利用の熱エネルギーを有効利用するために用いられている熱電モジュールでは、温度差が存在する環境下において、熱電材料がゼーベック効果によって起電力を発生し、発電を行う。また、その熱電材料は、n型とp型の2種類が交互に配置されており、各々の熱電材料は温度差を生じるように設置されている(例えば、特許文献1参照)。   In a thermoelectric module used for effectively utilizing unused thermal energy, a thermoelectric material generates an electromotive force by the Seebeck effect and generates power in an environment where a temperature difference exists. In addition, two types of n-type and p-type thermoelectric materials are alternately arranged, and each thermoelectric material is installed so as to cause a temperature difference (see, for example, Patent Document 1).

そして、その熱電モジュールの発電量は、熱電材料の性能指数によって大きく左右される。性能指数は、熱伝導度、電気伝導度、ゼーベック係数で決定される値であり、一般的に熱伝導度を小さく、電気伝導度を大きく、ゼーベック係数を大きくすることで性能指数が向上する。   And the electric power generation amount of the thermoelectric module greatly depends on the figure of merit of the thermoelectric material. The figure of merit is a value determined by thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient. Generally, the figure of merit is improved by decreasing the thermal conductivity, increasing the electrical conductivity, and increasing the Seebeck coefficient.

従来の熱電材料は、熱伝導度、電気伝導度、ゼーベック係数で決定される性能指数を向上させることで熱電モジュールとしての発電量を向上させる必要があった。しかし、熱伝導度の低下と電気伝導度の増加は一般的には両立せず、性能指数を向上させるためには熱伝導度だけを低下させる手段が必要となる。そこで、フォノンの散乱体を形成することにより熱伝導度だけを低下させて性能指数を向上させた熱電材料として、熱電材料相中にナノ粒子の不純物相を分散させたものや、熱電材料のナノ粒子で構成されたものが開発されている(例えば、特許文献2または3参照)。   Conventional thermoelectric materials need to improve the amount of power generated as a thermoelectric module by improving the figure of merit determined by thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient. However, a decrease in thermal conductivity and an increase in electrical conductivity are generally incompatible, and means for reducing only the thermal conductivity is required to improve the figure of merit. Therefore, as a thermoelectric material that improves the figure of merit by reducing only the thermal conductivity by forming a phonon scatterer, a nanoparticle impurity phase dispersed in the thermoelectric material phase or the nanometer of the thermoelectric material The thing comprised by particle | grains is developed (for example, refer patent document 2 or 3).

特開2016−181564号公報JP, 2006-181564, A 国際公開WO2013/094598号International Publication WO2013 / 094598 特開2016−58558号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-58558

しかし、特許文献2および3に記載の熱電材料は、ナノ粒子が形成可能な物質に限られてしまう上、ナノ粒子の分散には精密な条件の探索や複雑な工程が必要であるという課題があった。また、熱電材料を低次元化することにより量子閉じ込め効果を利用した性能指数の向上も試みられており、その結果、熱電材料をナノワイヤー化することで電気伝導度やゼーベック係数の向上が報告されている。しかし、熱電材料のナノワイヤー化には、複雑な製造プロセスが必要であり、また、長尺化やモジュール化において更なる技術開発が必要とされており、まだ実用化には用いることができない技術である。   However, the thermoelectric materials described in Patent Documents 2 and 3 are limited to substances that can form nanoparticles, and there is a problem that the dispersion of nanoparticles requires a search for precise conditions and complicated processes. there were. Attempts have also been made to improve the figure of merit using the quantum confinement effect by lowering the thermoelectric material, and as a result, improvements in electrical conductivity and Seebeck coefficient have been reported by turning the thermoelectric material into nanowires. ing. However, making nanowires of thermoelectric materials requires a complicated manufacturing process, and further technological development is required for lengthening and modularization, and technology that cannot be used for practical use yet. It is.

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、ナノ粒子の原料を製造するプロセスが不要であり、フォノンの散乱により熱伝導率を低減可能で、量子閉じ込め効果によって電気伝導度やゼーベック係数を向上させることができ、実用化も期待できる、性能指数を向上した熱電材料および熱電モジュール提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such a problem, and does not require a process for producing a raw material of nanoparticles, can reduce thermal conductivity by phonon scattering, and has an electrical conductivity by a quantum confinement effect. It is an object to provide a thermoelectric material and a thermoelectric module having an improved figure of merit, which can improve the Seebeck coefficient and can be expected to be put to practical use.

上記目的を達成するために、本発明に係る熱電材料は、共晶組織を含むことを特徴とする。特に、本発明に係る熱電材料は、共晶点において一方向凝固することで得られる共晶体構造を有することが好ましい。また、本発明に係る熱電材料は、第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とから成る構造体であって、第一の結晶相は、第二の結晶相と共晶組織を形成していることが好ましい。また、第二の結晶相は、第一の結晶相よりも小さな粒径を有していることが好ましい。   In order to achieve the above object, the thermoelectric material according to the present invention includes a eutectic structure. In particular, the thermoelectric material according to the present invention preferably has a eutectic structure obtained by unidirectional solidification at the eutectic point. The thermoelectric material according to the present invention is a structure composed of a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect, and the first crystal phase is a eutectic with the second crystal phase. It is preferable to form a tissue. The second crystal phase preferably has a smaller particle size than the first crystal phase.

本発明に係る熱電材料は、融液からの一方向凝固によって直接、熱電材料の相中に第二相を分散させて得られる共晶組織とすることにより、ナノ粒子の原料を製造するプロセスが不要である。また、共晶組織を利用した、二相が均一に分散した組織構造を実現することができる。   The thermoelectric material according to the present invention has a process for producing a nanoparticle raw material by forming a eutectic structure obtained by dispersing the second phase in the phase of the thermoelectric material directly by unidirectional solidification from the melt. It is unnecessary. In addition, it is possible to realize a structure in which two phases are uniformly dispersed using a eutectic structure.

また、本発明に係る熱電材料は、共晶組織中の第二の結晶相が熱電効果を有することにより、低次元化による量子閉じ込め効果により電気伝導度やゼーベック係数を向上させることができる。また、熱電材料のナノロッド相を第二相中に形成させることも可能であり、やはり電気伝導度やゼーベック係数を向上させることができ、バルク体として実用化も期待することができる。また、共晶組織中の第一の結晶相も熱電効果を有することにより、第一の結晶相内のフォノンが、その周りに位置する第二の結晶相によって散乱され、その結果、熱伝導度を低下させることができる。こうして、本発明に係る熱電材料は、性能指数を向上させることができる。   Moreover, the thermoelectric material which concerns on this invention can improve an electrical conductivity and a Seebeck coefficient by the quantum confinement effect by a reduction in dimension, when the 2nd crystal phase in a eutectic structure has a thermoelectric effect. In addition, the nanorod phase of the thermoelectric material can be formed in the second phase, so that the electrical conductivity and Seebeck coefficient can also be improved, and the practical application as a bulk body can be expected. In addition, since the first crystal phase in the eutectic structure also has a thermoelectric effect, phonons in the first crystal phase are scattered by the second crystal phase located around the first crystal phase, and as a result, thermal conductivity is increased. Can be reduced. Thus, the thermoelectric material according to the present invention can improve the figure of merit.

本発明に係る熱電材料は、第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する構造体から成り、前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ連続して存在し、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していてもよい。また、本発明に係る熱電材料は、第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する直方体の構造体から成り、前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ分散して存在し、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していてもよい。また、本発明に係る熱電材料は、第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する酸化物および金属の構造体から成り、前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ連続または分散して存在し、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していてもよい。これらのいずれの場合でも、前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ連続または分散して存在していてもよい。   The thermoelectric material according to the present invention comprises a structure having a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect, and the first crystal phase has a eutectic structure with the second crystal phase. The first crystal phase and the second crystal phase are continuously present on the two opposing surfaces of the structure, and the first crystal phase is the second crystal phase. Or the second crystalline phase is located around the first crystalline phase, and the first crystalline phase has a thermal conductivity of the second crystalline phase. The electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase may be increased. In addition, the thermoelectric material according to the present invention includes a rectangular parallelepiped structure having a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect, and the first crystal phase includes the second crystal phase. The first crystal phase and the second crystal phase are dispersed on the two opposing surfaces of the structure, and the first crystal phase is the second crystal phase. Or the second crystal phase is located around the first crystal phase, and the first crystal phase is the second crystal phase of the second crystal phase. The thermal conductivity may be decreased, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase may be increased. The thermoelectric material according to the present invention includes an oxide and metal structure having a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect, and the first crystal phase is the second crystal phase. The first crystal phase and the second crystal phase are present continuously or dispersed on the two opposing faces of the structure, respectively, and the first crystal A phase is located around the second crystalline phase, or the second crystalline phase is located around the first crystalline phase, and the first crystalline phase is the first crystalline phase. The thermal conductivity of the second crystal phase may be reduced, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase may be increased. In any of these cases, the first crystal phase and the second crystal phase may be present continuously or dispersed on two opposing surfaces of the structure.

本発明に係る熱電材料を製造する方法は、第一の結晶相を構成する材料と第二の結晶相を構成する材料とを混合する工程と、混合された第一の結晶相を構成する材料と第二の結晶相を構成する材料とを溶融する工程と、溶融された第一の結晶相を構成する材料と第二の結晶相を構成する材料とを一方向に沿って凝固させて共晶体を生成させる工程とを有することが好ましい。本発明に係る熱電材料で、前記構造体の対向する二面は、例えば、共晶組織を生成させるときの凝固方向に垂直な二つの面、または、凝固方向に平行な二つの面である。   The method for producing a thermoelectric material according to the present invention includes a step of mixing a material constituting the first crystal phase and a material constituting the second crystal phase, and a material constituting the mixed first crystal phase. And a material constituting the second crystal phase, and a material constituting the melted first crystal phase and a material constituting the second crystal phase are solidified along one direction to be shared. And a step of generating a crystal. In the thermoelectric material according to the present invention, the two opposing surfaces of the structure are, for example, two surfaces perpendicular to the solidification direction when generating a eutectic structure or two surfaces parallel to the solidification direction.

本発明に係る熱電材料で、前記第一の結晶相の形状又は前記第二の結晶相の形状は、柱状又は板状であることが好ましい。この場合、柱状若しくは板状である前記第一の結晶相、又は、柱状若しくは板状である第二の結晶相を複数有し、該複数の結晶相が前記構造体の対向する二面のうちの少なくともいずれか一方の面に沿って周期的に配置されており、その周期が5nm以上50μm以下であることが好ましい。   In the thermoelectric material according to the present invention, the shape of the first crystal phase or the shape of the second crystal phase is preferably a columnar shape or a plate shape. In this case, the first crystal phase having a columnar shape or a plate shape or a plurality of second crystal phases having a columnar shape or a plate shape are included, and the plurality of crystal phases are out of two opposing surfaces of the structure. Are periodically arranged along at least one of the surfaces, and the period is preferably 5 nm or more and 50 μm or less.

また、本発明に係る熱電材料で、前記第二の結晶相は、温度差によって発電することが好ましい。また、本発明に係る熱電材料で、前記第一の結晶相と前記第二の結晶相との組成比は、前記第一の結晶相と前記第二の結晶相との共晶組成比の±5mol%の範囲内であることが好ましい。   Further, in the thermoelectric material according to the present invention, it is preferable that the second crystal phase generates power by a temperature difference. Further, in the thermoelectric material according to the present invention, the composition ratio between the first crystal phase and the second crystal phase is ± eutectic composition ratio between the first crystal phase and the second crystal phase. It is preferable to be within the range of 5 mol%.

また、本発明に係る熱電材料で、前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、SrTiOを含有していてもよい。この場合、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相のうちSrTiOからなる結晶相は、Nb、Ta、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうちの少なくともいずれか1つを含有し、その含有量は0mol%より多く50mol%未満の範囲であることが好ましい。特に、前記第二の結晶相はSrTiOから成り、前記第一の結晶相はTiOから成っていてもよい。In the thermoelectric material according to the present invention, the first crystal phase or the second crystal phase may contain SrTiO 3 . In this case, the crystal phase composed of SrTiO 3 among the first crystal phase and the second crystal phase is Nb, Ta, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, It contains at least one of Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the content thereof is preferably in the range of more than 0 mol% and less than 50 mol%. In particular, the second crystal phase may consist of SrTiO 3 and the first crystal phase may consist of TiO 2 .

また、本発明に係る熱電材料で、前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、ZnOから成っていてもよい。この場合、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相のうちZnOからなる結晶相は、Al、Gaの少なくともいずれか一方を含有し、その含有量は0mol%より多く50mol%未満の範囲であってもよい。また、前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、ZnOからなり、該結晶相の他方の相は、Nb、Si、Pのいずれかを含有していてもよい。なお、本発明に係る熱電材料で、第一の結晶相が熱電効果を有し、第一の結晶相と第二の結晶相とが逆であってもよい。この場合、第一の結晶相および第二の結晶相による作用や効果等が互いに入れ替わる。   In the thermoelectric material according to the present invention, the first crystal phase or the second crystal phase may be made of ZnO. In this case, the crystal phase composed of ZnO among the first crystal phase and the second crystal phase contains at least one of Al and Ga, and the content is in the range of more than 0 mol% and less than 50 mol%. It may be. The first crystal phase or the second crystal phase may be made of ZnO, and the other phase of the crystal phase may contain any of Nb, Si, and P. In the thermoelectric material according to the present invention, the first crystal phase may have a thermoelectric effect, and the first crystal phase and the second crystal phase may be reversed. In this case, the actions and effects of the first crystal phase and the second crystal phase are interchanged.

本発明に係る熱電モジュールは、熱電材料を用いた熱電モジュールであって、前記熱電材料が本発明に係る熱電材料であることを特徴とする。特に、本発明に係る熱電モジュールは、本発明に係る熱電材料のn型とp型の2種類が交互に配置されており、各々の熱電材料は温度差を生じるように設置されていることが好ましい。   The thermoelectric module according to the present invention is a thermoelectric module using a thermoelectric material, wherein the thermoelectric material is the thermoelectric material according to the present invention. In particular, in the thermoelectric module according to the present invention, two types of n-type and p-type thermoelectric materials according to the present invention are alternately arranged, and each thermoelectric material is installed so as to generate a temperature difference. preferable.

本発明によれば、ナノ粒子の原料を製造するプロセスが不要であり、フォノンの散乱により熱伝導率を低減可能で、量子閉じ込め効果によって電気伝導度やゼーベック係数を向上させることができ、実用化も期待できる、性能指数を向上した熱電材料を提供することができる。また、本発明によれば、性能指数を向上した熱電材料を用いた熱電モジュールを提供することができる。   According to the present invention, the process for producing the raw material of the nanoparticles is unnecessary, the thermal conductivity can be reduced by phonon scattering, and the electrical conductivity and Seebeck coefficient can be improved by the quantum confinement effect. Therefore, it is possible to provide a thermoelectric material with improved performance index. Moreover, according to this invention, the thermoelectric module using the thermoelectric material which improved the figure of merit can be provided.

本発明の実施形態の熱電材料の、(A)第一の構成、(B)第二の構成、(C)第三の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows (A) 1st structure, (B) 2nd structure, (C) 3rd structure of the thermoelectric material of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の熱電材料の製造装置を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing apparatus of the thermoelectric material of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の熱電材料である、SrTiO−TiO系熱電材料結晶体を示す側面図である。A thermoelectric material embodiment of the present invention, is a side view showing a SrTiO 3 -TiO 2 based thermoelectric material crystals. 図3に示すSrTiO−TiO系熱電材料結晶体の(A)凝固方向に垂直面の構造を示す走査型電子顕微鏡(SEM)像、(B) (A)中の柱状晶のエネルギー分散型X線分析(EDX)スペクトル、(C) (A)中の柱状晶周辺部のEDXスペクトル、(D)凝固方向に平行方向の構造を示すSEM像である。(A) Scanning electron microscope (SEM) image showing a structure perpendicular to the solidification direction of the SrTiO 3 —TiO 2 -based thermoelectric material crystal shown in FIG. 3, (B) Energy dispersive type of columnar crystals in (A) X-ray analysis (EDX) spectrum, (C) EDX spectrum around columnar crystal in (A), (D) SEM image showing a structure parallel to the solidification direction. 図3に示すSrTiO−TiO系熱電材料結晶体の、粉末X線回折(XRD)パターンである。Of SrTiO 3 -TiO 2 based thermoelectric material crystal body shown in FIG. 3 is a powder X-ray diffraction (XRD) patterns. 図3に示すSrTiO−TiO系および、Nbを添加したSrTiO−TiO系熱電材料結晶体の、電気抵抗率(ρ)の温度依存性を示すグラフである。SrTiO 3 -TiO 2 system and shown in Figure 3, of SrTiO 3 -TiO 2 based thermoelectric material crystals with the addition of Nb, is a graph showing the temperature dependence of the electrical resistivity ([rho). 本発明の実施形態の熱電材料である、(A)Nb添加、(B)Pr添加、(C)La添加SrTiO−TiO系熱電材料結晶体を示す側面図である。A thermoelectric material embodiment of the present invention, is a side view showing the (A) Nb added, (B) Pr addition, (C) La added SrTiO 3 -TiO 2 based thermoelectric material crystals. 本発明の実施形態の熱電材料である、ZnNb−ZnO系熱電材料結晶体を示す側面図である。A thermoelectric material embodiment of the present invention, is a side view showing a Zn 3 Nb 2 O 8 -ZnO based thermoelectric material crystals. 図8に示すZnNb−ZnO系熱電材料結晶体の(A)SEM像、(B) (A)中の柱状晶のEDXスペクトル、(C) (A)中の柱状晶周辺部のEDXスペクトルである。(A) SEM image of Zn 3 Nb 2 O 8 —ZnO-based thermoelectric material crystal body shown in FIG. 8, (B) EDX spectrum of columnar crystal in (A), (C) Columnar crystal periphery in (A) This is an EDX spectrum.

以下、図面等を用いて本発明を実施すための形態を説明する。
尚、本発明を実施するための形態としては、様々な形態(様々な構成や、様々な材料)があるが、全ての実施形態に共通することは、第一の結晶相と、第一の結晶相よりも小さな粒径を有し、熱電効果を有する第二の結晶相との2相を備える共晶体構造を有する熱電材料が、対向する二面で第一の結晶相と第二の結晶相とがそれぞれ連続、もしくは分散して存在することである。これによって、第一の結晶相が熱電効果を有する場合、第一の結晶相内のフォノンが、その周りに位置する第二の結晶相によって散乱され、結果、熱伝導度が低下する。一方、第二の結晶相が熱電効果を有しているため、低次元化による量子閉じ込め効果により電気伝導度やゼーベック係数が向上する。このようにして、本発明のすべての実施形態は、熱電結晶体自体の性能指数が向上する。
以下、各実施形態について説明する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
There are various forms (various configurations and various materials) for carrying out the present invention, but what is common to all the embodiments is that the first crystal phase and the first A thermoelectric material having a eutectic structure having a particle size smaller than that of the crystal phase and having a second phase with a second crystal phase having a thermoelectric effect is formed by the first crystal phase and the second crystal on two opposite sides. The phases are present continuously or dispersed. Accordingly, when the first crystal phase has a thermoelectric effect, the phonons in the first crystal phase are scattered by the second crystal phase located around the first crystal phase, and as a result, the thermal conductivity is lowered. On the other hand, since the second crystal phase has a thermoelectric effect, the electrical conductivity and Seebeck coefficient are improved by the quantum confinement effect due to the reduction in dimension. In this way, all embodiments of the present invention improve the figure of merit of the thermoelectric crystal itself.
Each embodiment will be described below.

[第一の実施形態:柱状晶または分散晶構造、第二の結晶相の主成分が熱電結晶体からなる形態]
図1(A)、(B)、(C)は、本発明の実施形態の熱電材料の一実施形態を示す模式図である。尚、図1(A)に示すように、一方向性を有する多数の柱状晶もしくは分散晶をなす第一の結晶相11と、第一の結晶相11の側面を埋める第二の結晶相12の2相から構成されている場合を以後、第一の構成と呼ぶ。また、図1(B)に示すように、一方向性を有する多数の柱状晶もしくは分散晶をなす第二の結晶相12と、第二の結晶相12の側面を埋める第一の結晶相11の2相から構成される場合を以後、第二の構成と呼ぶ。また、図1(C)に示すように、第一の結晶相11と第二の結晶相12の双方が一方向に立った板状結晶からなり、それらが交互に密接して構成されている場合を以後、第三の構成と呼ぶ。
[First Embodiment: Columnar Crystal or Dispersed Crystal Structure, Form in which Main Component of Second Crystal Phase is Thermoelectric Crystal]
1A, 1B, and 1C are schematic views showing an embodiment of a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention. Note that, as shown in FIG. 1A, a first crystal phase 11 having a number of columnar crystals or dispersed crystals having unidirectionality, and a second crystal phase 12 filling the side surfaces of the first crystal phase 11. Hereinafter, the case where the two layers are configured is referred to as a first configuration. Further, as shown in FIG. 1B, a second crystal phase 12 having a number of columnar crystals or dispersed crystals having unidirectionality, and a first crystal phase 11 filling the side surfaces of the second crystal phase 12. Hereinafter, a case where the two phases are configured is referred to as a second configuration. Further, as shown in FIG. 1C, both the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 are composed of plate crystals standing in one direction, and they are configured to be alternately in close contact. This case is hereinafter referred to as a third configuration.

図1(A)は、本発明の第一実施形態の熱電材料を示す模式図である。図1(A)に示す本実施形態の2組の共晶体構造を有する熱電結晶体(構造体)は、対向する二面で第一の結晶相11と第二の結晶相12がそれぞれ連続、もしくは分散して存在する。尚、図1(A)に示す形態では、第二の結晶相12の中に、一方向性を有する多数の柱状晶もしくは分散晶からなる第一の結晶相11を有している。具体的には、第一の結晶相11と、第一の結晶11の側面を埋める第二の結晶相12の2相の相分離構造から構成されている。尚、相分離構造とは、一様な状態から状況を変化させたときに複数相に分離して得られる構造である。本実施形態では、構成材料が溶融している構造のない一様な液体状態から、凝固状態に至るとき、2相の結晶相が同時に晶出し、ある程度の周期性を有して形成された構造を表す。   FIG. 1A is a schematic view showing a thermoelectric material according to the first embodiment of the present invention. In the thermoelectric crystal body (structure) having two eutectic structures of this embodiment shown in FIG. 1A, the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 are continuous on two opposing surfaces, Or they are distributed. In the form shown in FIG. 1A, the second crystal phase 12 has a first crystal phase 11 composed of a number of columnar crystals or dispersed crystals having unidirectionality. Specifically, it is composed of a two-phase phase separation structure of a first crystal phase 11 and a second crystal phase 12 filling the side surface of the first crystal 11. The phase separation structure is a structure obtained by separating into a plurality of phases when the situation is changed from a uniform state. In this embodiment, when the constituent material is melted from a uniform liquid state without a structure to a solidified state, two crystal phases are simultaneously crystallized and formed with a certain degree of periodicity. Represents.

第一の結晶相11を構成する柱状晶の断面形状は円形、楕円、四角形に限らず、複数の結晶面から構成され、多角形を構成してもよい。また、柱状晶の直径13は、5nm以上50μm以下、好ましくは5nm以上10μm以下の範囲であることが望ましい。また、第一の結晶相11の柱状晶の周期14は、5nm以上50μm以下、好ましくは5nm以上10μm以下の範囲であることが望ましい。さらに、熱電結晶体の厚み15は、製法にも依存するが、任意の厚みに調整することが可能である。   The cross-sectional shape of the columnar crystal constituting the first crystal phase 11 is not limited to a circle, an ellipse, and a quadrangle, and may be composed of a plurality of crystal planes to form a polygon. The diameter 13 of the columnar crystals is 5 nm to 50 μm, preferably 5 nm to 10 μm. Further, the period 14 of the columnar crystals of the first crystal phase 11 is 5 nm or more and 50 μm or less, preferably 5 nm or more and 10 μm or less. Further, the thickness 15 of the thermoelectric crystal body can be adjusted to an arbitrary thickness although it depends on the manufacturing method.

柱状晶は、厚み方向16に渡って真っすぐ続いていることが好ましいが、途中で途切れたり、枝分かれや融合が生じたり、一直線でなく曲がった部分が含まれていたり、また直径が部分的に変化したりしていてもよい。凝固時の固液界面の方向を適宜制御することで、柱状晶を曲げることも可能である。   The columnar crystals preferably continue straight across the thickness direction 16, but are interrupted in the middle, branching and fusion occur, include bent portions that are not straight, and the diameter changes partially. You may do it. Columnar crystals can be bent by appropriately controlling the direction of the solid-liquid interface during solidification.

第二の結晶相12は、SrTiOを含有する材料から構成されていることが好ましい。第二の結晶相12に含有されるSrTiOの、第一の結晶相11の量に対する含有量は、50mоl%以上、好ましくは80mоl%以上100mоl%以下が望ましい。The second crystal phase 12 is preferably composed of a material containing SrTiO 3 . The content of SrTiO 3 contained in the second crystal phase 12 with respect to the amount of the first crystal phase 11 is 50 mol% or more, preferably 80 mol% or more and 100 mol% or less.

第一の結晶相11は、TiOを主成分として含有することが好ましい。ここで主成分とは、第一の結晶相11における含有量が50mоl%以上の材料のことを言い、より好ましくは、この主成分材料が第一の結晶相11中に、80mоl%以上100mоl%以下で含有されていることが望ましい。The first crystal phase 11 preferably contains TiO 2 as a main component. Here, the main component means a material having a content of 50 mol% or more in the first crystal phase 11, and more preferably, the main component material is 80 mol% or more and 100 mol% in the first crystal phase 11. It is desirable that it is contained in the following.

本発明の第一実施形態の熱電材料に含有される第一の結晶相11および第二の結晶相12を構成する材料の組成は、共晶点における組成であることが好ましい。共晶点とは、平衡状態図における共晶反応が生じる点であり、液相から2種の固溶体を同時に排出して凝固が完了する点を表す。本実施形態の第一の結晶相11と第二の結晶相12の材料系の好ましい組み合わせの組成比の例を、表1に示す。   The composition of the material constituting the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 contained in the thermoelectric material of the first embodiment of the present invention is preferably a composition at the eutectic point. The eutectic point is a point at which an eutectic reaction occurs in the equilibrium diagram, and represents a point at which solidification is completed by simultaneously discharging two solid solutions from the liquid phase. Table 1 shows examples of composition ratios of preferable combinations of the material systems of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 of the present embodiment.

図1(A)に示すような良好な相分離構造を得るためには、概ね上記組成で作製することが好ましい。これらの組成は共晶点に対応している。ただし、上記組成から全く外れてはいけないものではなく、その組成に対して±5mоl%の範囲は許容範囲とすることが好ましい。より好ましくは±2mоl%の範囲である。これらの組成近傍の範囲を限定する要因は、構造形成において各相間が共晶関係にあり、共晶組成近傍では一方向凝固により図1(A)のような良質な構造体を得ることができることである。その他の組成範囲、つまり5mоl%以上逸脱している場合では、一方の相が先に晶出し、構造形成の観点からは構造を乱す要因となる。ただし、表1の共晶組成にも測定誤差があるため、概念としては共晶組成から±2mоl%であることが重要であるが、実質良好な構造が得られるならば±5mоl%程度逸脱してもよい。また、表1に記載の共晶温度に関しても、同様に測定誤差等があるため、上記温度付近であることを示しており、何らかの制限をあたえるものではない。   In order to obtain a good phase separation structure as shown in FIG. These compositions correspond to eutectic points. However, it should not be deviated from the above composition at all, and a range of ± 5 mol% with respect to the composition is preferably an allowable range. More preferably, it is in the range of ± 2 mol%. The reason for limiting the range in the vicinity of these compositions is that each phase has a eutectic relationship in the formation of the structure, and in the vicinity of the eutectic composition, a good-quality structure as shown in FIG. 1A can be obtained by unidirectional solidification. It is. In other composition ranges, that is, when deviating by 5 mol% or more, one phase is crystallized first, which is a factor disturbing the structure from the viewpoint of structure formation. However, since the eutectic composition shown in Table 1 also has measurement errors, it is important that the eutectic composition is ± 2 mol% from the eutectic composition. However, if a substantially good structure is obtained, it deviates by about ± 5 mol%. May be. Further, the eutectic temperatures shown in Table 1 also have a measurement error or the like, and thus indicate that the temperature is around the above temperature and do not impose any limitation.

次に、第一の結晶相11および第二の結晶相12には、上記以外の成分が含有されていてもよく、特に、第一の結晶相11を構成する材料に含有する成分は、第一の結晶相11に固溶し、かつ第二の結晶相12には固溶しない成分であることが好ましい。例えば、TiOにSiOを添加してもよい。さらに、第二の結晶12を構成する材料に含有する成分は、第一の結晶相11に固溶せず、かつ第二の結晶相12に固溶する成分であることが好ましい。例えば、SrTiOにBaTiOが固溶することができるなど、前述の通りである。Next, the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 may contain components other than those described above. In particular, the components contained in the material constituting the first crystal phase 11 are It is preferable that the component is a solid solution in one crystal phase 11 and is not a solid solution in the second crystal phase 12. For example, SiO 2 may be added to TiO 2 . Further, the component contained in the material constituting the second crystal 12 is preferably a component that does not dissolve in the first crystal phase 11 but dissolves in the second crystal phase 12. For example, as described above, BaTiO 3 can be dissolved in SrTiO 3 .

また、SrTiO、TiO以外の添加材料が追加、ないし単独で添加されてもよい。また、共晶体構造の形成に支障がなければ、双方に固溶する成分を添加してもよい。尚このように、極微量の添加ではなく1mol%以上添加するような場合の目的は、キャリア量の制御や格子定数の制御、さらにバンド構造の制御などである。Further, additive materials other than SrTiO 3 and TiO 2 may be added or added alone. Moreover, if there is no hindrance to the formation of the eutectic structure, a component that dissolves in both may be added. In this way, the purpose in the case of adding 1 mol% or more instead of adding a trace amount is to control the carrier amount, the lattice constant, and the band structure.

本実施形態における相分離構造において、熱電効果を有する材料を主成分とする第二の結晶相12が、温度差によって起電力を有し、発電する。しかしこれに限らず、本発明では、第一の結晶相11および第二の結晶相12の少なくとも一方が温度差により発電すればよく、双方が発電してもよい。特に、発電効率を高めるためには、第一の結晶相11および第二の結晶相12を構成する母材に対して、キャリア量を制御する成分を添加したり、還元処理したりすることも好ましい。   In the phase separation structure in the present embodiment, the second crystal phase 12 whose main component is a material having a thermoelectric effect has an electromotive force due to a temperature difference and generates electric power. However, the present invention is not limited to this, and in the present invention, at least one of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 may generate power due to a temperature difference, and both may generate power. In particular, in order to increase the power generation efficiency, a component for controlling the carrier amount may be added to the base material constituting the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12, or reduction treatment may be performed. preferable.

キャリア量制御のための添加元素は、用途などにより多数選択することが可能で、単一ないし複数元素を添加してもよい。例えば、3価以上の高価数のイオンとなり得るNbやTa、Sc、Y、Zr、Hf希土類元素のLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選択することが好ましい。上記元素を添加する場合、用途により起電力、電気抵抗率、ゼーベック係数などの要求に対して適宜選択できる。また、このような元素を添加することにより相分離構造に起因して、一方の相に添加されやすいなど、濃度分布が生じても問題ない。   A large number of additive elements for controlling the carrier amount can be selected depending on the application and the like, and a single element or a plurality of elements may be added. For example, Nb, Ta, Sc, Y, Zr, and Hf rare earth elements La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Ho, Er, which can be trivalent or more expensive ions. It is preferable to select from Tm, Yb, and Lu. When adding the said element, it can select suitably with respect to requirements, such as an electromotive force, an electrical resistivity, and a Seebeck coefficient, according to a use. Moreover, there is no problem even if a concentration distribution occurs due to the addition of such an element, such as easy addition to one phase due to the phase separation structure.

[第二の実施形態:柱状晶構造、第二の結晶相の主成分が熱電結晶体からなる形態]
次に第二の実施形態について説明する。第二の実施形態においては、第二の結晶相12の主成分としてZnOまたはSrTiOを用い、前述の図1(B)に示す共晶体構造を得た。これについて、以下に詳述する。
[Second Embodiment: Columnar Crystal Structure, Form in which Main Component of Second Crystal Phase is Thermoelectric Crystal]
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, ZnO or SrTiO 3 was used as the main component of the second crystal phase 12 to obtain the eutectic structure shown in FIG. This will be described in detail below.

図1(A)に示す第一の構成における第一の結晶相11の直径13、または図1(B)に示す第二の構成における第二の結晶相12の直径13と、図1(A)、(B)における周期14の好ましい範囲は、第一の実施形態で説明した通りである。また、図1(C)に示す第三の構成においても、板状結晶であるが、短辺側を直径と周期という定義とした場合、板状結晶の第一の結晶相11の直径13と構造周期14は、第一の構成と同様の値の範囲であることが好ましい。   The diameter 13 of the first crystal phase 11 in the first configuration shown in FIG. 1A or the diameter 13 of the second crystal phase 12 in the second configuration shown in FIG. The preferable range of the period 14 in (B) is as described in the first embodiment. Further, in the third configuration shown in FIG. 1C, a plate-like crystal is used, but when the short side is defined as a diameter and a period, the diameter 13 of the first crystal phase 11 of the plate-like crystal is The structural period 14 is preferably in the same range of values as in the first configuration.

図1(B)に示す熱電材料の厚み15に関しては、第一の実施形態と同様である。
本実施形態では、第二の結晶相12がZnOまたはSrTiOを主成分として含有することで実現されるが、より好ましくは第一の結晶相11を構成する材料が、ZnOまたはSrTiOと共晶関係にある材料系であれば、本実施形態の構造を形成するのに好ましい。第一の結晶相11と第二の結晶相12の材料の取りうる関係の一例は、表2に示すとおりである。つまり、ZnOとNbの組み合わせの場合、第二の構成(図1(B))になり、第二の結晶相12がZnOで、第一の結晶相11がZnNbである。また、ZnOとSiOの組み合わせの場合、第二の構成になり、第一の結晶相11がZnSiOで、第二の結晶相12がZnOである。また、ZnOとPの組み合わせの場合、第二の構成になり、第一の結晶相11がZn(POで、第二の結晶相12がZnOである。また、SrTiOとSrTiOの組み合わせの場合、第二の構成になり、第一の結晶相11がSrTiOで、第二の結晶相12がSrTiOである。
The thermoelectric material thickness 15 shown in FIG. 1B is the same as in the first embodiment.
In the present embodiment, the second crystal phase 12 is realized by containing ZnO or SrTiO 3 as a main component. However, more preferably, the material constituting the first crystal phase 11 is the same as ZnO or SrTiO 3 . A material system having a crystal relationship is preferable for forming the structure of this embodiment. An example of the relationship that can be taken by the materials of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 is as shown in Table 2. That is, in the case of a combination of ZnO and Nb 2 O 5 , the second configuration (FIG. 1B) is obtained, the second crystal phase 12 is ZnO, and the first crystal phase 11 is Zn 3 Nb 2 O 8. It is. In the case of a combination of ZnO and SiO 2 , the second configuration is adopted, and the first crystal phase 11 is Zn 2 SiO 4 and the second crystal phase 12 is ZnO. In the case of a combination of ZnO and P 2 O 5 , the second configuration is adopted, where the first crystal phase 11 is Zn 3 (PO 4 ) 2 and the second crystal phase 12 is ZnO. Further, in the case of a combination of SrTiO 3 and Sr 2 TiO 4 , the second configuration is adopted, and the first crystal phase 11 is Sr 2 TiO 4 and the second crystal phase 12 is SrTiO 3 .

次に、上記材料系の選択において、本実施形態で重要になってくるのは、第一の結晶相11と第二の結晶相12をそれぞれ構成する材料の組成である。表2に示した本実施形態の材料系の組み合わせ4種類において、好ましい組成比は、以下の表3の通りであり、共晶点における組成であることが好ましい。   Next, in the selection of the material system, what is important in the present embodiment is the composition of the material constituting each of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12. In the four types of combinations of the material systems of this embodiment shown in Table 2, the preferred composition ratio is as shown in Table 3 below, and is preferably a composition at the eutectic point.

上記組成の許容範囲については、上記組成に対して±5mоl%、より好ましくは、±2mоl%の範囲であることは、上述の第一の実施形態と同様である。   The permissible range of the composition is the same as that of the first embodiment described above in the range of ± 5 mol%, more preferably ± 2 mol% with respect to the composition.

尚、第一の実施形態でも述べた通り、第一の結晶相11と第二の結晶相12には上記以外の材料が添加されてもよい。また、構造形成に支障がなければ双方に固溶する材料を添加してもよい。また、これら各結晶相を構成する材料の、各結晶相における含有量は、50mоl%以上で、80mоl%以上100mоl%以下が好ましい。   As described in the first embodiment, materials other than those described above may be added to the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12. Moreover, if there is no hindrance to the structure formation, a material that dissolves in both may be added. Further, the content of the material constituting each crystal phase in each crystal phase is preferably 50 mol% or more and 80 mol% or more and 100 mol% or less.

本実施形態では、少なくとも一方の結晶相が温度差によって発電することが好ましいが、双方が発電することはより好ましい。特に、発電効率を高めるためには、第一の結晶相11や第二の結晶相12を構成する母材に対して、キャリアを形成させる元素を添加することも好ましい。添加元素としては、第一の実施形態と同様のものが適用できる。   In the present embodiment, it is preferable that at least one of the crystal phases generates power due to a temperature difference, but it is more preferable that both generate power. In particular, in order to increase the power generation efficiency, it is also preferable to add an element for forming a carrier to the base material constituting the first crystal phase 11 or the second crystal phase 12. As the additive element, the same elements as in the first embodiment can be applied.

[第三の実施形態:ラメラ構造、第二の結晶相の主成分が熱電材料からなる]
次に第三の実施形態について説明する。第三の実施形態においては、第二の結晶相12の主成分として、SrTiOを用い、前述の図1(C)に示すラメラ構造の相分離構造を得た。これについて、以下に詳述する。尚、図1(C)の概要については、上述の実施形態において説明済み故、本実施形態の特徴のみを以下に説明する。
[Third embodiment: Lamellar structure, main component of second crystal phase is made of thermoelectric material]
Next, a third embodiment will be described. In the third embodiment, SrTiO 3 was used as the main component of the second crystal phase 12, and a lamellar structure phase separation structure shown in FIG. 1C was obtained. This will be described in detail below. Since the outline of FIG. 1C has already been described in the above-described embodiment, only the features of this embodiment will be described below.

本実施形態に係る熱電材料結晶体は、一方向性を有する第一の結晶相11と第二の結晶相12からなる相分離構造体であって、第二の結晶相12が主成分としてSrTiOを有する材料から構成される。そして、この構造体の少なくとも一方の相が温度差によって発電することを特徴とする。The thermoelectric material crystal according to the present embodiment is a phase-separated structure composed of a first crystal phase 11 and a second crystal phase 12 having unidirectionality, and the second crystal phase 12 is a main component of SrTiO. 3 is composed of a material having 3 . And at least one phase of this structure is characterized by generating electric power by a temperature difference.

また、第一の結晶相11又は第二の結晶相12の少なくとも一方が、キャリア量を制御するための元素の少なくとも一つを含有することが好ましい。また、第一の結晶相11及び第二の結晶相12の組成は、共晶点における組成であることが好ましい。第一の結晶相11と第二の結晶相12と材料の取りうる関係の一例は、表4に示すとおりである。   Moreover, it is preferable that at least one of the first crystal phase 11 or the second crystal phase 12 contains at least one element for controlling the amount of carriers. The compositions of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12 are preferably compositions at the eutectic point. An example of the relationship that the first crystal phase 11, the second crystal phase 12, and the material can take is as shown in Table 4.

次に、上記材料系の選択において、本実施形態で重要になってくるのは、第一の結晶相11と第二の結晶相12をそれぞれ構成する材料の組成である。表4に示した本実施形態の材料系の組み合わせにおいて、好ましい組成比は、以下の表5の通りであり、共晶点における組成であることが好ましい。   Next, in the selection of the material system, what is important in the present embodiment is the composition of the material constituting each of the first crystal phase 11 and the second crystal phase 12. In the combination of the material systems of the present embodiment shown in Table 4, the preferred composition ratio is as shown in Table 5 below, and is preferably a composition at the eutectic point.

上記組成の許容範囲については、上記組成に対して±5mоl%、より好ましくは、±2mоl%の範囲であることは、上述の第一の実施形態と同様である。本実施形態では、少なくとも一方の結晶相が温度差により発電することが好ましいが、双方が発電してもよい。特に、発電効率を高めるためには、第一の結晶相11や第二の結晶相12を構成する母材に対して、キャリア量を制御する元素を添加することも好ましい。   The permissible range of the composition is the same as that of the first embodiment described above in the range of ± 5 mol%, more preferably ± 2 mol% with respect to the composition. In the present embodiment, it is preferable that at least one of the crystal phases generates power based on a temperature difference, but both may generate power. In particular, in order to increase the power generation efficiency, it is also preferable to add an element for controlling the carrier amount to the base material constituting the first crystal phase 11 or the second crystal phase 12.

次に、上述の各実施形態の熱電材料結晶体(熱電材料)の製造方法について説明する。本実施形態に係る熱電材料結晶体の製造方法は、第一の結晶相11を構成する材料と第二の結晶相12を構成する材料とを混合する工程と、混合された第一の結晶相11を構成する材料と第二の結晶相12を構成する材料とを溶融する工程と、溶融された第一の結晶相11を構成する材料と第二の結晶相12を構成する材料とを一方向に沿って凝固させて共晶体を生成させる工程とを有することを特徴とする。   Next, a method for manufacturing the thermoelectric material crystal body (thermoelectric material) of each of the above-described embodiments will be described. The manufacturing method of the thermoelectric material crystal according to the present embodiment includes a step of mixing a material constituting the first crystal phase 11 and a material constituting the second crystal phase 12, and a mixed first crystal phase. 11 and the material constituting the second crystal phase 12 are melted together with the material constituting the melted first crystal phase 11 and the material constituting the second crystal phase 12. And a step of solidifying along a direction to form a eutectic.

本実施形態の熱電材料結晶体の製造方法は、所望の材料系を最適組成にて一方向性を持たせて溶融凝固する方法であれば、いずれの方法でも可能である。特に、固液界面を平滑にするよう温度勾配を制御することが要求され、混合物の固液界面における温度勾配が10℃/mm以上の条件で行うことが好ましい。ただし、結晶への熱応力によるクラック等を解消するために、上述の各実施形態の構造形成に支障ない範囲で温度勾配を低下させてもよい。また、すでに結晶体となった部分を溶融しない程度に再加熱して、クラック等を抑制することを行うことも望ましい。また、共晶組織の形成可能な組成範囲というのは、前述のように共晶組成±5mоl%、好ましくは±2mоl%と記述しているが、この範囲と温度勾配と凝固速度との間には材料固有の相関関係が成り立ち、いわゆるCoupled Eutectic Zoneと称される範疇で、本件の結晶体は作製されるべきであると主張する。   The method for producing the thermoelectric material crystal body of the present embodiment can be any method as long as it is a method in which a desired material system is melted and solidified with an optimal composition and unidirectionality. In particular, it is required to control the temperature gradient so as to smooth the solid-liquid interface, and it is preferable that the temperature gradient at the solid-liquid interface of the mixture is 10 ° C./mm or more. However, in order to eliminate cracks and the like due to thermal stress on the crystal, the temperature gradient may be lowered within a range that does not hinder the structure formation of each of the embodiments described above. It is also desirable to suppress cracks and the like by reheating the portion that has already become a crystal body so as not to melt. The composition range in which the eutectic structure can be formed is described as eutectic composition ± 5 mol%, preferably ± 2 mol%, as described above, but between this range and the temperature gradient and solidification rate. Argues that this crystalline material should be fabricated in a category called the so-called Coupled Eutectic Zone, where there is a material-specific correlation.

図2は、本実施形態の熱電材料結晶体の製造方法を示す概略図である。マイクロ引き下げ法では、底部に穴の開いた坩堝内に材料を設置し、ヒーターないし高周波誘導電源により坩堝を加熱した後、溶融した材料を坩堝の底部から、種結晶等を用いて融液を引き下げることによって、坩堝の底部直下に固液界面を形成することができるため、本実施形態の共晶体構造を有する熱電材料結晶体を製造することが可能である。   FIG. 2 is a schematic view showing a method for producing a thermoelectric material crystal of the present embodiment. In the micro pull-down method, a material is placed in a crucible having a hole at the bottom, the crucible is heated by a heater or a high frequency induction power source, and then the molten material is pulled from the bottom of the crucible using a seed crystal or the like. Thus, since a solid-liquid interface can be formed immediately below the bottom of the crucible, it is possible to manufacture the thermoelectric material crystal having the eutectic structure of the present embodiment.

特に、図2に示す装置は、坩堝23の長さに匹敵する高周波誘導コイル21と、混合物である試料25の固液界面の温度勾配として、10℃/mm以上を実現するための断熱材22から構成される。坩堝23の底部の融液は、坩堝23の下方に設置した種結晶24によって下方向に引き下げられることで一方向に凝固が行われる。   In particular, the apparatus shown in FIG. 2 has a high-temperature induction coil 21 comparable to the length of the crucible 23 and a heat insulating material 22 for realizing a temperature gradient of 10 ° C./mm or more as a temperature gradient at the solid-liquid interface of the sample 25 that is a mixture. Consists of The melt at the bottom of the crucible 23 is solidified in one direction by being pulled downward by a seed crystal 24 installed below the crucible 23.

また、坩堝23の下部に設置されたアフターヒーター26によって、固液界面の温度勾配を結晶作製に最適な値に制御することが可能である。さらに、同等の手段を講じる製法でも可能である。ただし、固液界面が平滑にできるのであれば、温度勾配は10℃/mm未満であっても構わない。   In addition, the temperature gradient at the solid-liquid interface can be controlled to an optimum value for crystal production by the after heater 26 installed at the lower part of the crucible 23. Furthermore, the manufacturing method which takes an equivalent means is also possible. However, the temperature gradient may be less than 10 ° C./mm as long as the solid-liquid interface can be made smooth.

また、チョクラルスキー法のように、結晶引き上げでも同様に作製可能である。この場合は、マイクロ引き下げ法のように下方向に結晶を引き下げるわけではないため、大型の試料が作製できる点でより好ましい。さらに、ブリッジマン法のように、坩堝内での結晶作製も同様に可能である。この場合は、作製条件を最適化することで歩留り良く、大型の試料が作製できる点でより好ましい。さらに、フローティングゾーン法でも、同様に作製可能である。この場合は、坩堝を使用する必要がなく、坩堝からの不純物混入がない点、および坩堝のコストがかからない点でより好ましい。さらに、EFG法のように、ダイを用いた結晶引き上げでも同様に作製可能である。この場合は、作製する試料の形状を制御しながら作製できる点でより好ましい。   Moreover, it can be similarly produced by crystal pulling as in the Czochralski method. In this case, since the crystal is not pulled downward as in the micro pulling method, it is more preferable in that a large sample can be manufactured. Furthermore, as in the Bridgman method, crystals can be similarly produced in the crucible. In this case, it is more preferable in that a large sample can be manufactured with good yield by optimizing the manufacturing conditions. Further, it can be similarly produced by the floating zone method. In this case, it is not necessary to use a crucible, and it is more preferable in that no impurities are mixed from the crucible and the cost of the crucible is not increased. Furthermore, it can be similarly produced by crystal pulling using a die as in the EFG method. In this case, it is more preferable in that it can be manufactured while controlling the shape of the sample to be manufactured.

また、相分離熱電材料結晶体の柱状晶の直径やその周期は、試料の凝固速度に依存し、特に柱状晶の周期に関しては次式の相関があるとされる。周期をλとし、凝固速度をvとすれば、λ・v=一定である。したがって、所望の構造周期があれば、必然的に凝固速度が大まかに制限される関係である。逆に、製法上の制限として、固液界面を平面かつ平滑に制御できる凝固速度があるため、周期λの範囲は、5nm以上50μm以下の範囲となる。また、それに対応して柱状晶の直径も、5nm以上50μm以下の範囲となる。Further, the diameter of the columnar crystals of the phase-separated thermoelectric material crystal and its period depend on the solidification rate of the sample, and in particular, the period of the columnar crystals has the following correlation. If the period is λ and the solidification rate is v, λ 2 · v = constant. Therefore, if there is a desired structural period, the solidification rate is inevitably limited. Conversely, as a limitation on the manufacturing method, there is a solidification rate at which the solid-liquid interface can be controlled flat and smooth, and therefore the range of the period λ is in the range of 5 nm to 50 μm. Correspondingly, the diameter of the columnar crystal is in the range of 5 nm to 50 μm.

ここで、柱状晶の直径とは、円形でない場合もあり、不定形であれば最短直径が上記範囲に含まれる。また、多数の柱状晶の平均値で、最長直径と最短直径の比が10以下であることが好ましい。これ以上では、ラメラ構造とするのが適切である。しかし、無数の柱状晶の中で幾つかの柱状晶のみが10以上の値を有したとしても、平均値が下回っていれば許容範囲である。また、作製条件上、第一の結晶相と第二の結晶相を構成する材料のモル比率が1:1に近いほどラメラ構造を採りやすいため、これらを考慮して、作製条件や添加材料を選択することが好ましい。さらに、第一の結晶相と第二の結晶相を構成する材料のモル比率が、柱状晶を採りやすい値とラメラ構造を採りやすい値との中間にある場合、育成速度によって柱状晶を採るか、ラメラ構造を採るか制御することが可能である。   Here, the diameter of the columnar crystal may not be circular, and if it is indefinite, the shortest diameter is included in the above range. Moreover, it is preferable that the ratio of the longest diameter to the shortest diameter is 10 or less as an average value of many columnar crystals. Above this, a lamellar structure is appropriate. However, even if only some of the innumerable columnar crystals have a value of 10 or more, it is acceptable if the average value is below. Also, on the production conditions, the closer the molar ratio of the materials constituting the first crystal phase and the second crystal phase is to 1: 1, the easier it is to adopt a lamellar structure. It is preferable to select. Further, if the molar ratio of the materials constituting the first crystal phase and the second crystal phase is between the value at which columnar crystals are easily taken and the value at which lamellar structures are easily taken, whether the columnar crystals are taken depending on the growth rate. It is possible to take or control the lamellar structure.

次に、作製する試料の原材料の仕込組成について述べる。上記の相分離熱電材料結晶体の第一の結晶相と第二の結晶相を構成する材料の組成比率は、各表に示す値であるが、仕込組成に関しては、±5mоl%以上に逸脱していても構わない。つまり、マイクロ引き下げ法の場合は、試料全体を溶融した状態から、坩堝の下方向に一方向凝固させるようにすれば、凝固初期に共晶組成から逸脱している分の材料が先に析出することになり、残された融液が共晶組成となる。そのため、一度ダミーで引き下げて、融液が共晶組成になってから再度引き下げることも好ましい。結晶体作製後に、不要部分は切り離せばよい。   Next, the preparation composition of the raw material of the sample to be produced will be described. The composition ratios of the materials constituting the first crystal phase and the second crystal phase of the above phase-separated thermoelectric material crystal are the values shown in each table, but the charged composition deviates to ± 5 mol% or more. It does not matter. In other words, in the case of the micro pull-down method, if the whole sample is melted and then unidirectionally solidified downward in the crucible, the material that deviates from the eutectic composition in the initial stage of solidification is precipitated first. As a result, the remaining melt has a eutectic composition. Therefore, it is also preferable to pull it down with a dummy once and then pull it down again after the melt has a eutectic composition. What is necessary is just to cut away an unnecessary part after crystal body preparation.

次に、上述の各実施形態の熱電モジュールは、上記の熱電材料結晶体と、電極とを有し、熱電材料結晶体は、n型とp型が交互に対向するように配置されていることを特徴とする。熱電材料結晶体は、直接または一層以上の保護層を介して電極上に配置されているのが好ましい。   Next, the thermoelectric module of each of the above-described embodiments includes the thermoelectric material crystal body and the electrode, and the thermoelectric material crystal body is arranged so that n-type and p-type are alternately opposed to each other. It is characterized by. The thermoelectric material crystal is preferably arranged on the electrode directly or via one or more protective layers.

本実施形態の熱電モジュールは、相分離熱電材料結晶体のp型およびn型を、電極と組み合わせることで、発電施設・産業用機器・自動車等で排出されている未利用熱を用いた発電機器として使用することが可能である。特に、本実施形態の相分離熱電材料結晶体が高い熱電特性を有しているために、より高い発電効率が必要とされる状況に適用することが好ましい。また、試料作製の際に使用する原料のナノスケール化や、熱電材料のナノワイヤー化などの工程が必要ないことから、従来のナノ構造体バルクやナノワイヤー等と比べて低コストで製造でき、低コスト化が求められる状況に適用することも好ましい。以上の用途において、要求される特性に適合するように、他材料添加やキャリア量制御によって調整することも可能である。   The thermoelectric module of the present embodiment is a power generation device using unused heat discharged from a power generation facility, industrial device, automobile, etc., by combining the p-type and n-type phase-separated thermoelectric material crystals with electrodes. It can be used as In particular, since the phase-separated thermoelectric material crystal of the present embodiment has high thermoelectric properties, it is preferably applied to a situation where higher power generation efficiency is required. In addition, since there is no need for steps such as nano-scaling of raw materials used for sample preparation and nano-wires of thermoelectric materials, it can be manufactured at low cost compared to conventional nanostructure bulk or nanowires, etc. It is also preferable to apply to a situation where cost reduction is required. In the above applications, it is possible to adjust by adding other materials and controlling the amount of carriers so as to meet the required characteristics.

さらに、電極と本実施形態の相分離熱電材料結晶体との間は、直接以外に、各々の保護層等の機能を有した膜や層を介して接合または配置することも好ましい。   Furthermore, it is also preferable that the electrode and the phase-separated thermoelectric material crystal body of the present embodiment are joined or arranged via a film or layer having a function of each protective layer or the like, instead of directly.

以下に記載の実施例は、上述の第一の実施形態に対応する実施例である。実施例1から順に説明していく。本実施例1においては、まず、TiO(第一の結晶相を構成する材料)に対して、SrOをSrO:TiO=20:80で混合した粉末を準備し、それらをイリジウム製の坩堝内に充填した。用いたイリジウム坩堝は、底面に3×3mmのダイを有しており、そのダイの中央に0.5mmのキャピラリーを有している。この坩堝を図2のようなマイクロ引き下げ炉に設置し、高周波誘導加熱電源を用いて1440℃以上の温度まで坩堝を加熱することで、坩堝内の混合試料を完全に溶解させた。その後、坩堝内の溶融原料が底部のキャピラリーを通って、坩堝底面に現れ、濡れ広がった。その濡れ広がった原料融液をアルミナ製のセラミックス棒に接触させ、セラミックス棒と共に原料融液を下方向に引き下げることで、坩堝底面直下に固液界面を形成しながら原料融液を凝固させた。原料融液を引き下げる速度は、約5mm/minとした。Examples described below are examples corresponding to the first embodiment described above. The description will be made sequentially from the first embodiment. In Example 1, first, a powder obtained by mixing SrO 2 with SrO 2 : TiO 2 = 20: 80 with respect to TiO 2 (material constituting the first crystal phase) is prepared, and these are made of iridium. In a crucible. The iridium crucible used has a 3 × 3 mm 2 die on the bottom and a 0.5 mm capillary in the center of the die. This crucible was installed in a micro-pulling furnace as shown in FIG. 2, and the mixed sample in the crucible was completely dissolved by heating the crucible to a temperature of 1440 ° C. or higher using a high frequency induction heating power source. Thereafter, the molten raw material in the crucible passed through the capillary at the bottom, appeared on the bottom of the crucible, and spread wet. The wet raw material melt was brought into contact with an alumina ceramic rod, and the raw material melt was pulled downward together with the ceramic rod to solidify the raw material melt while forming a solid-liquid interface immediately below the bottom of the crucible. The speed at which the raw material melt was pulled down was about 5 mm / min.

このようにして、一方向に沿って原料融液を坩堝直下で凝固させることで、共晶体を生成した。得られた結晶棒を、図3に示した。   In this way, the eutectic was produced by solidifying the raw material melt directly under the crucible along one direction. The obtained crystal rod is shown in FIG.

このようにして作製した試料を切り出し、走査型電子顕微鏡(SEM)にて構造観察を行った。その結果、SrTiO−TiO系は、凝固方向(育成方向)に垂直面の構造(第一の主面及び第二の主面からみた構造)が図4(A)であり、平行方向の構造が図4(D)のようであった。また、SEMに付属しているエネルギー分散型X線分光(EDX)を用いた組成分析から、図4(B)に示すように、柱状晶はTiOを有しており、図4(C)に示すように、その周辺部はSrTiOを有していることが判明した。このように、多数のTiOの柱状晶が一方向性を有して、その周辺部をSrTiOが取り囲む構造が形成されていることが示された。The sample thus prepared was cut out and structurally observed with a scanning electron microscope (SEM). As a result, in the SrTiO 3 —TiO 2 system, the structure perpendicular to the solidification direction (growth direction) (the structure viewed from the first main surface and the second main surface) is shown in FIG. The structure was as shown in FIG. Further, from the composition analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) attached to the SEM, as shown in FIG. 4B, the columnar crystals have TiO 2 , and FIG. As shown in FIG. 5, it was found that the peripheral portion has SrTiO 3 . Thus, it was shown that a large number of columnar crystals of TiO 2 have unidirectionality and a structure in which the periphery thereof is surrounded by SrTiO 3 is formed.

尚、ここで、第一の結晶相と第二の結晶相から成る熱電材料構造体の説明として、1つの図を用いて説明したが、これは対向する一方の面から見た構造ともう一方の面から見た構造は酷似しているので、その一方のみを代表して図示しただけであり、対向する面のそれぞれに、柱状晶である第一の結晶相と、その周辺部を取り囲む第二の結晶相のいずれもが露出していることが確認されている。   Here, as the explanation of the thermoelectric material structure composed of the first crystal phase and the second crystal phase, it has been explained with reference to one figure. Since the structure viewed from the surface is very similar, only one of them is shown as a representative, and the first crystal phase, which is a columnar crystal, and the first surrounding the peripheral portion are formed on each of the opposing surfaces. It has been confirmed that both of the two crystal phases are exposed.

以下に説明する他の実施例においても、第一の結晶相と第二の結晶相から成る熱電材料構造体を、一部の図面のみを用いて説明するが、これは上述の通り、両対向面の構造が酷似していることに基づくためであると理解されたい。   In other embodiments described below, a thermoelectric material structure composed of a first crystal phase and a second crystal phase will be described with reference to only some drawings. It should be understood that this is due to the fact that the surface structure is very similar.

作製した試料を粉末状に砕いた後、粉末X線回折(XRD)測定にて相の同定を行った。その結果、図5に示すように、SrTiOおよびTiOに起因する回折ピークのみが確認できた。したがって、作製した試料は、SrTiOとTiOの2相のみで構成されていることが分かった。After the prepared sample was crushed into powder, the phase was identified by powder X-ray diffraction (XRD) measurement. As a result, as shown in FIG. 5, only diffraction peaks attributable to SrTiO 3 and TiO 2 could be confirmed. Therefore, it was found that the prepared sample was composed of only two phases of SrTiO 3 and TiO 2 .

実施例1で作製したSrTiO−TiO系に対する添加元素による、キャリア量制御の効果を示す。図6に、実施例1で作製した添加元素を含まないSrTiO−TiO系の試料、および、Nbを添加したSrTiO−TiO系の試料の、電気抵抗率(ρ)の温度依存性を示す。図6中のxtal STOは、SrTiO単結晶、STO-TO(Nb-free)は、Nb無添加のSrTiO/TiO共晶体、Nb-5(reduced)は、Nbを5%添加したSrTiO/TiO共晶体(還元アニール後のもの)、Nb-5(as-received)は、Nbを5%添加したSrTiO/TiO共晶体(後処理なしのもの)、Nb-20(as-received)は、Nbを20%添加したSrTiO/TiO共晶体(後処理なしのもの)、poly STOは、SrTiO多結晶、poly Y-doped STOは、Yを添加したSrTiO多結晶の結果である。なお、poly STOおよびpoly Y-doped STOのデータは、国立研究開発法人 産業技術総合研究所(AIST:National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)により公開されている熱物性データベース(TPDS:Thermophysical Properties Database System)のものを利用している。まず、図6に示すように、実施例1で作製した添加元素を含まない試料のSTO-TO(Nb-free)では、キャリア量が少ないために、絶縁体的な高い電気抵抗率(ρ)を示した。The effect of the carrier amount control by the additive element with respect to the SrTiO 3 —TiO 2 system produced in Example 1 is shown. FIG. 6 shows the temperature dependence of the electrical resistivity (ρ) of the SrTiO 3 —TiO 2 sample containing no additive element and the SrTiO 3 —TiO 2 sample added with Nb prepared in Example 1. Indicates. In FIG. 6, xtal STO is SrTiO 3 single crystal, STO-TO (Nb-free) is SrTiO 3 / TiO 2 eutectic without Nb, and Nb-5 (reduced) is SrTiO with 5% Nb added. 3 / TiO 2 eutectic (after reduction annealing), Nb-5 (as-received) is SrTiO 3 / TiO 2 eutectic with 5% Nb added (without post-treatment), Nb-20 (as -received) is SrTiO 3 / TiO 2 eutectic with 20% Nb added (without post-treatment), poly STO is SrTiO 3 polycrystal, poly Y-doped STO is SrTiO 3 polycrystal with Y added Is the result of The poly STO and poly Y-doped STO data are the thermophysical properties database system (TPDS) published by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). ) Is used. First, as shown in FIG. 6, in the STO-TO (Nb-free) of the sample containing no additive element prepared in Example 1, since the amount of carriers is small, an insulating high electrical resistivity (ρ) showed that.

次に、図7(A)に示すように、実施例1と同様の作製方法で、SrTiO−TiO系にNbを10mol%添加した試料を作製した。同様にSEMにて構造観察を行ったところ、添加元素がない場合と同様の共晶体構造を有しており、EDXを用いた組成分析から、柱状晶はTiOを有しており、その周辺部はSrTiOを有していることが判明した。ここで、添加元素の組成は、10mol%に限定するものではない。Next, as shown in FIG. 7A, a sample in which 10 mol% of Nb 2 O 5 was added to the SrTiO 3 —TiO 2 system was manufactured by the same manufacturing method as in Example 1. Similarly, when the structure was observed by SEM, it had the same eutectic structure as in the case where there was no added element. From the composition analysis using EDX, the columnar crystals had TiO 2 and the surroundings. Part was found to have SrTiO 3 . Here, the composition of the additive element is not limited to 10 mol%.

Nbを添加したSrTiO−TiO系の試料の電気抵抗率測定を行ったところ、図6に示すように、Nbを添加した試料のNb-5(reduced)、Nb-5(as-received)、およびNb-20(as-received)では、添加元素を含まない試料のSTO-TO(Nb-free)に比べて、大幅に電気抵抗率が低下した。これにより、実際にNbを添加することでキャリア量の制御を行うことができた。When the electrical resistivity of the SrTiO 3 —TiO 2 -based sample added with Nb was measured, as shown in FIG. 6, Nb-5 (reduced) and Nb-5 (as-received) of the sample added with Nb were obtained. , And Nb-20 (as-received), the electrical resistivity decreased significantly compared to STO-TO (Nb-free) of the sample containing no added element. As a result, the carrier amount could be controlled by actually adding Nb.

さらに、同様の作製方法で、SrTiO−TiO系にPr11を10mol%添加した試料、Laを10/3mol%(3.3mol%)添加した試料を作製した。その結果、それぞれ図7(B)および(C)に示した試料棒を得ることができ、Nbを添加したSrTiO−TiO系と同様の共晶体構造を有していることが明らかとなった。Further, a sample prepared by adding 10 mol% of Pr 6 O 11 to a SrTiO 3 —TiO 2 system and a sample added with 10/3 mol% (3.3 mol%) of La 2 O 3 were prepared by the same manufacturing method. As a result, the sample rods shown in FIGS. 7B and 7C can be obtained, respectively, and it becomes clear that the sample bar has the same eutectic structure as the SrTiO 3 —TiO 2 system to which Nb is added. It was.

Nbを添加したSrTiO−TiO系の試料の熱伝導率測定を行ったところ、室温で約4.2W/m・Kを示し、共晶体構造を有さないNbを添加したSrTiOの熱伝導率の半分以下の値を示した。When the thermal conductivity of the SrTiO 3 —TiO 2 -based sample to which Nb was added was measured, it was about 4.2 W / m · K at room temperature, and the heat of SrTiO 3 to which Nb without eutectic structure was added The value was less than half of the conductivity.

以下に記載の実施例は、上述の第二の実施形態に対応する実施例である。本実施例の共晶体構造を有する熱電材料結晶体の組成として、表3に示すZnNb−ZnO系の試料を、図2に示す実施例1と同様の装置にて作製した。ただし、今回は、共晶点における融点が1300℃であったため、結晶育成用の坩堝には白金−ロジウム(Pt−Rh)製のものを用いた。得られた結晶棒を、図8に示した。Examples described below are examples corresponding to the second embodiment described above. As the composition of the thermoelectric material crystal body having the eutectic structure of this example, a Zn 3 Nb 2 O 8 —ZnO-based sample shown in Table 3 was produced using the same apparatus as that of Example 1 shown in FIG. However, this time, since the melting point at the eutectic point was 1300 ° C., a crucible for crystal growth was made of platinum-rhodium (Pt—Rh). The obtained crystal rod is shown in FIG.

ZnNb−ZnO系の結晶棒を、SrTiO−TiO系と同様に、SEMにて構造観察を行った。その結果、凝固方向に垂直面の構造(第一の主面及び第二の主面からみた構造)が、図9(A)に示すような構造となった。また、SEMに付属しているエネルギー分散型X線分光(EDX)を用いた組成分析から、図9(B)に示すように、柱状晶はZnOを有しており、図9(C)に示すように、その周辺部はZnNbを有していることが判明した。このように、多数のZnOの柱状晶の周辺部を、ZnNbが取り囲む構造が形成されていることが示された。The structure of the Zn 3 Nb 2 O 8 —ZnO-based crystal rod was observed by SEM in the same manner as in the SrTiO 3 —TiO 2 system. As a result, the structure perpendicular to the solidification direction (the structure viewed from the first main surface and the second main surface) became a structure as shown in FIG. Further, from the composition analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) attached to the SEM, as shown in FIG. 9B, the columnar crystals have ZnO, and FIG. As shown, the peripheral portion was found to have Zn 3 Nb 2 O 8 . Thus, it was shown that a structure in which Zn 3 Nb 2 O 8 surrounds the periphery of a large number of ZnO columnar crystals is formed.

以下に記載の実施例は、上述の第一の実施形態に対応する実施例である。本実施例の熱電材料結晶体として、Sn−SnSe、SnSe−SnSe、BiTe−Te、PbTe−Te、Co−CoSb、PbSe−Se、InSb−Sb、CuS−PbS、Cu−CuSe、CuSe−Se、Mg−MgSb、MgSb−Sb、SbTe−Te、ZnSb−Zn、Sb−ZnSb、BiTe−InTe系の各共晶体構造について、それぞれの相図から、一方向凝固を行った際の凝固方向に垂直な面の構造をシミュレーションにより求めた。また、シミュレーションの結果から、共晶体構造の構成(第一の構成、第二の構成、第三の構成)、第一の結晶相、および第二の結晶相を決定した。その結果を、表6に示す。Examples described below are examples corresponding to the first embodiment described above. As the thermoelectric material crystal body of this example, Sn—SnSe, SnSe—SnSe 2 , Bi 2 Te 3 —Te, PbTe—Te, Co—CoSb, PbSe—Se, InSb—Sb, Cu 2 S—PbS, Cu— Cu 2 Se, Cu 2 Se- Se, Mg-Mg 3 Sb 2, Mg 3 Sb 2 -Sb, Sb 2 Te 3 -Te, Zn 3 Sb 4 -Zn, Sb-ZnSb, Bi 2 Te 3 -In 2 Te For each eutectic structure of the three systems, the structure of the plane perpendicular to the solidification direction when unidirectional solidification was performed was determined from the respective phase diagrams by simulation. Further, from the simulation results, the configuration of the eutectic structure (first configuration, second configuration, third configuration), the first crystal phase, and the second crystal phase were determined. The results are shown in Table 6.

11 第一の結晶相
12 第二の結晶相
13 (柱状晶等の)直径
14 (柱状晶等の)周期
15 (熱電結晶体の)厚み
16 厚み方向

21 高周波誘導コイル
22 断熱材
23 坩堝
24 種結晶
25 試料
26 アフターヒーター
11 First crystal phase 12 Second crystal phase 13 Diameter (such as columnar crystal) 14 Period (such as columnar crystal) Period 15 Thickness (of thermoelectric crystal) 16 Thickness direction

21 High-frequency induction coil 22 Heat insulating material 23 Crucible 24 Seed crystal 25 Sample 26 After heater

Claims (15)

共晶組織を含むことを特徴とする熱電材料。   A thermoelectric material comprising a eutectic structure. 第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する構造体から成り、
前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、
前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ連続して存在し、
前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していることを
特徴とする請求項1記載の熱電材料。
Consisting of a structure having a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect,
The first crystal phase forms a eutectic structure with the second crystal phase;
On the two opposite surfaces of the structure, the first crystal phase and the second crystal phase are respectively present continuously,
The first crystalline phase is located around the second crystalline phase, or the second crystalline phase is located around the first crystalline phase, and the first crystalline phase is 2. The thermoelectric device according to claim 1, wherein the crystal phase decreases the thermal conductivity of the second crystal phase, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase increases. material.
第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する直方体の構造体から成り、
前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、
前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ分散して存在し、
前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していることを
特徴とする請求項1記載の熱電材料。
A cuboid structure having a first crystal phase and a second crystal phase having a thermoelectric effect,
The first crystal phase forms a eutectic structure with the second crystal phase;
On the two opposing surfaces of the structure, the first crystal phase and the second crystal phase are present in a dispersed manner,
The first crystalline phase is located around the second crystalline phase, or the second crystalline phase is located around the first crystalline phase, and the first crystalline phase is 2. The thermoelectric device according to claim 1, wherein the crystal phase decreases the thermal conductivity of the second crystal phase, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase increases. material.
第一の結晶相と、熱電効果を有する第二の結晶相とを有する酸化物および金属の構造体から成り、
前記第一の結晶相は、前記第二の結晶相と共晶組織を形成し、
前記構造体の対向する二面で、前記第一の結晶相および前記第二の結晶相が、それぞれ連続または分散して存在し、
前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の周りに位置しており、または、前記第二の結晶相が前記第一の結晶相の周りに位置しており、且つ、前記第一の結晶相が前記第二の結晶相の熱伝導度を低下させている、または、前記第二の結晶相の電気伝導度もしくはゼーベック係数が増加していることを
特徴とする請求項1記載の熱電材料。
Consisting of an oxide and metal structure having a first crystalline phase and a second crystalline phase having a thermoelectric effect,
The first crystal phase forms a eutectic structure with the second crystal phase;
On the two opposite surfaces of the structure, the first crystal phase and the second crystal phase are present continuously or dispersed respectively,
The first crystalline phase is located around the second crystalline phase, or the second crystalline phase is located around the first crystalline phase, and the first crystalline phase is 2. The thermoelectric device according to claim 1, wherein the crystal phase decreases the thermal conductivity of the second crystal phase, or the electrical conductivity or Seebeck coefficient of the second crystal phase increases. material.
前記第一の結晶相の形状又は前記第二の結晶相の形状は、柱状又は板状であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to any one of claims 2 to 4, wherein the shape of the first crystal phase or the shape of the second crystal phase is a columnar shape or a plate shape. 柱状若しくは板状である前記第一の結晶相、又は、柱状若しくは板状である第二の結晶相を複数有し、該複数の結晶相が前記構造体の対向する二面のうちの少なくともいずれか一方の面に沿って周期的に配置されており、その周期が5nm以上50μm以下であることを特徴とする請求項5記載の熱電材料。   The first crystal phase that is columnar or plate-shaped or the second crystal phase that is columnar or plate-shaped is plural, and the plurality of crystal phases is at least one of two opposing surfaces of the structure. 6. The thermoelectric material according to claim 5, wherein the thermoelectric material is periodically arranged along one of the surfaces, and the cycle is 5 nm or more and 50 μm or less. 前記第二の結晶相は、温度差によって発電することを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to any one of claims 2 to 6, wherein the second crystal phase generates power by a temperature difference. 前記第一の結晶相と前記第二の結晶相との組成比は、前記第一の結晶相と前記第二の結晶相との共晶組成比の±5mol%の範囲内であることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載の熱電材料。   The composition ratio between the first crystal phase and the second crystal phase is within a range of ± 5 mol% of the eutectic composition ratio between the first crystal phase and the second crystal phase. The thermoelectric material according to any one of claims 2 to 7. 前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、SrTiOを含有することを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載の熱電材料。The thermoelectric material according to any one of claims 2 to 8, wherein the first crystal phase or the second crystal phase contains SrTiO 3 . 前記第一の結晶相および前記第二の結晶相のうちSrTiOからなる結晶相は、Nb、Ta、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうちの少なくともいずれか1つを含有し、その含有量は0mol%より多く50mol%未満の範囲であることを特徴とする請求項9記載の熱電材料。Among the first crystal phase and the second crystal phase, the crystal phase composed of SrTiO 3 is Nb, Ta, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er. The thermoelectric material according to claim 9, wherein the thermoelectric material contains at least one of Tm, Yb, and Lu, and the content thereof is in the range of more than 0 mol% and less than 50 mol%. 前記第二の結晶相はSrTiOから成り、前記第一の結晶相はTiOから成ることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載の熱電材料。9. The thermoelectric material according to claim 2, wherein the second crystal phase is made of SrTiO 3 , and the first crystal phase is made of TiO 2 . 前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、ZnOから成ることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載の熱電材料。   The thermoelectric material according to any one of claims 2 to 8, wherein the first crystal phase or the second crystal phase is made of ZnO. 前記第一の結晶相および前記第二の結晶相のうちZnOからなる結晶相は、Al、Gaの少なくともいずれか一方を含有し、その含有量は0mol%より多く50mol%未満の範囲であることを特徴とする請求項12記載の熱電材料。   Of the first crystal phase and the second crystal phase, the crystal phase composed of ZnO contains at least one of Al and Ga, and the content thereof is in the range of more than 0 mol% and less than 50 mol%. The thermoelectric material according to claim 12. 前記第一の結晶相又は前記第二の結晶相は、ZnOからなり、該結晶相の他方の相は、Nb、Si、Pのいずれかを含有することを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載の熱電材料。   The first crystal phase or the second crystal phase is made of ZnO, and the other phase of the crystal phase contains any one of Nb, Si, and P. The thermoelectric material according to any one of the above. 熱電材料を用いた熱電モジュールであって、前記熱電材料が請求項1乃至14のいずれか1項に記載の熱電材料であることを特徴とする熱電モジュール。
A thermoelectric module using a thermoelectric material, wherein the thermoelectric material is the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 14.
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