WO2017072982A1 - 熱電変換材料 - Google Patents

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勉 菅野
佐藤　弘樹
章裕 酒井
宏平 高橋
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion material.
  • Non-Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion material represented by the chemical formula Mg 3 Sb 2-x Bi x (0 ⁇ x ⁇ 0.4).
  • Non-Patent Document 3 discloses a thermoelectric conversion material represented by the chemical formula Mg 3-x Mn x Sb 2 (0 ⁇ x ⁇ 0.4).
  • An object of the present invention is to provide a novel thermoelectric conversion material.
  • thermoelectric conversion material represented by the following chemical formula (I). Mg 3 + m A a B b D 2-e E e (I) here, Element A represents at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Yb, Element B represents at least one selected from the group consisting of Mn and Zn, The value of m is ⁇ 0.39 or more and 0.42 or less, The value of a is 0 or more and 0.12 or less, The value of b is 0 or more and 0.48 or less, Element D represents at least one selected from the group consisting of Sb and Bi, The element E represents at least one selected from the group consisting of Se and Te, The value of e is 0.001 or more and 0.06 or less,
  • the thermoelectric conversion material has a La 2 O 3 type crystal structure, and the thermoelectric conversion material is n-type.
  • the present invention provides a novel thermoelectric conversion material.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a La 2 O 3 type crystal structure.
  • Figure 2A is a graph showing the diffraction spectrum analysis result of La 2 O 3 type crystal structure.
  • 2B is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the thermoelectric conversion material according to Example 1.
  • FIG. 2C is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the thermoelectric conversion material according to Example 6.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature and the thermoelectric conversion performance index ZT of the thermoelectric conversion materials according to Example 1, Example 6, and Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient S of the thermoelectric conversion materials according to Example 1, Example 6, and Comparative Example 1.
  • FIG. 5 is a graph showing an analysis result of energy dispersive X-ray spectroscopy in Example 1.
  • 6 is a diagram showing a transmission electron microscope image of the thermoelectric conversion material according to Example 1.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention is represented by the following chemical formula (I).
  • Element A represents at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Yb
  • Element B represents at least one selected from the group consisting of Mn and Zn
  • the value of m is ⁇ 0.39 or more and 0.21 or less
  • the value of a is 0 or more and 0.12 or less
  • the value of b is 0 or more and 0.48 or less
  • Element D represents at least one selected from the group consisting of Sb and Bi
  • the element E represents at least one selected from the group consisting of Se and Te
  • the value of e is 0.001 or more and 0.06 or less.
  • the thermoelectric conversion material according to the present invention has a La 2 O 3 type crystal structure and is n-type.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention does not necessarily contain the element A.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention does not necessarily contain the element B.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention must contain the element Mg, the element D, and the element E.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention is characterized by both containing the element E and having a value of e of 0.001 or more and 0.06 or less.
  • thermoelectric conversion materials As is well known in the technical field of thermoelectric conversion materials, the performance of thermoelectric conversion materials is represented by a thermoelectric conversion performance index ZT and Seebeck coefficient S. As demonstrated in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 described later, when the value of e is 0.001 or more and 0.06 or less, the performance of the thermoelectric conversion material is dramatically improved. To improve. See Table 3. Further, such a thermoelectric conversion material is n-type. On the other hand, as demonstrated in Comparative Example 1, when the value of e is equal to 0, the thermoelectric conversion material has low performance and is p-type. When the value of e exceeds 0.06, the performance of the thermoelectric conversion material is also low. Desirably, the value of e is 0.004 or more and 0.020 or less.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention has a La 2 O 3 type crystal structure.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a La 2 O 3 type crystal structure.
  • the thermoelectric conversion material according to the present invention may be monocrystalline or polycrystalline.
  • the value of m is ⁇ 0.39 or more and 0.42 or less. See Example 26 and Example 29 below.
  • the value of m can be between ⁇ 0.39 and 0.21.
  • m m′ ⁇ a ⁇ b (II) here, m ′ is 0 or more and 0.42 or less.
  • m ′ is 0 or more and 0.42 or less.
  • thermoelectric conversion material An example of a method for producing a thermoelectric conversion material according to the present invention will be described below.
  • an antimony-bismuth alloy is obtained by dissolving antimony and bismuth in an arc melting method at a temperature of 1000 degrees Celsius to 1500 degrees Celsius.
  • an antimony-bismuth alloy, magnesium powder, and selenium powder are charged into the crucible.
  • the crucible is heated to a temperature of 800 degrees Celsius to 1500 degrees Celsius to obtain an MgSbBiSe alloy.
  • thermoelectric conversion material rarely matches the molar ratio of the starting material.
  • the MgSbBiSe alloy is subjected to spark plasma sintering to obtain MgSbBiSe crystals. In this way, a thermoelectric conversion material formed from MgSbBiSe crystals is obtained.
  • Example 1 (Production method)
  • a thermoelectric conversion material represented by the chemical formula Mg 3.08 Sb 1.49 Bi 0.49 Se 0.02 and having a La 2 O 3 crystal structure was produced as follows.
  • Example 1 magnesium powder (2.33 grams, 0.096 mole) and selenium powder (0.0474 grams, 0.0006 mole) were added to the Sb—Bi powder. These powders were thoroughly mixed.
  • Sb: Bi: Se molar ratio was 0.096: 0.045: 0.0144: 0.0006, ie 3.2: 1.5: 0.48. : 0.02.
  • the mixed powder was subjected to a tableting machine to obtain a tablet.
  • the tablet was put into a carbon crucible.
  • the carbon crucible was filled with argon gas.
  • the tablet was heated for 10 seconds at a temperature of 800-1000 degrees Celsius. In this way, the tablet was melted to obtain an ingot.
  • the ingot was thrown into a mortar placed in a glove box filled with argon.
  • the ingot was pulverized in a glove box to obtain MgSbBiSe powder.
  • Each powder had a particle size of 100 ⁇ m or less.
  • the powder was sintered by the following spark plasma sintering method (hereinafter referred to as “SPS method”).
  • SPS method spark plasma sintering method
  • the powder was filled into a cylindrical die formed from graphite.
  • the cylindrical die had an outer diameter of 50 millimeters and an inner diameter of 10 millimeters.
  • Argon gas was supplied to the cylindrical die. While a pressure of 50 MPa was applied to the material filled in the cylindrical die, a pulse current was passed through the material. In this way, the temperature of the material filled in the cylindrical die was increased at a rate of approximately 20 degrees Celsius / minute. The temperature of the material was maintained at 600 degrees Celsius for 30 minutes. Subsequently, the temperature of the material was lowered to room temperature, and a dense sintered body was obtained.
  • the thermoelectric conversion material according to Example 1 was obtained.
  • thermoelectric conversion material according to Example 1 was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (hereinafter referred to as “EDX”). Specifically, the thermoelectric conversion material according to Example 1 was supplied to an X-ray spectrometer (manufactured by Bruker, trade name: XFlash6
  • FIG. 5 is a graph showing the results of EDX in Example 1. From FIG. 5, it was revealed that the thermoelectric conversion material according to Example 1 had a composition of Mg 3.08 Sb 1.49 Bi 0.49 Se 0.02 .
  • FIG. 2B shows the result.
  • FIG. 2A shows a La 2 O 3 type crystal structure having an a-axis lattice constant of 0.460 nanometers, a b-axis lattice constant of 0.460 nanometers, and a c-axis lattice constant of 0.729 nanometers ( or is a graph showing the X-ray diffraction spectrum of CaAl 2 Si 2 -type structure).
  • the peaks included in the diffraction spectrum in Example 1 coincide with the diffraction peaks in FIG. 2A. Therefore, FIG. 2B reveals that the thermoelectric conversion material according to Example 1 has a La 2 O 3 type crystal structure.
  • thermoelectric conversion material according to Example 1 shows a transmission electron microscope image of the thermoelectric conversion material according to Example 1.
  • FIG. 6 The atomic arrangement period of the crystal grains included in the La 2 O 3 type crystal structure having the above three lattice constants coincided with the atomic arrangement period defined along the orientation direction shown in FIG.
  • the thermoelectric conversion material according to Example 1 was a polycrystalline body having a La 2 O 3 type structure.
  • Table 1 below shows the Seebeck coefficient S and the thermoelectric conversion performance index ZT of the thermoelectric conversion material according to Example 1.
  • Table 1 shows the Seebeck coefficient S and the thermoelectric conversion performance index ZT of the thermoelectric conversion material according to Example 1.
  • thermoelectric conversion material according to Example 1 is n-type.
  • the thermoelectric conversion material according to Example 1 has a high thermoelectric conversion performance index ZT of 0.58 even at a temperature of 331K.
  • thermoelectric conversion material according to Example 1 has a high thermoelectric conversion figure of merit ZT of 1.49 at a temperature of 713K.
  • Comparative Example 1 Granular antimony, granular bismuth, magnesium powder, and selenium powder each weigh 5.48 grams (ie 0.045 mole), 3.13 grams (ie 0.015 mole), 2.33 grams (ie 0.096 mol), and 0 grams (ie, 0 mol).
  • the same experiment as in Example 1 was performed. Note that selenium was not used in Comparative Example 1.
  • a thermoelectric conversion material represented by the chemical formula Mg 3.07 Sb 1.47 Bi 0.53 was obtained.
  • the starting Mg: Sb: Bi: Se molar ratio was 0.096: 0.045: 0.015: 0, ie 3.2: 1.5: 0.5: 0. there were.
  • Table 2 below shows the Seebeck coefficient S and the thermoelectric conversion performance index ZT of the thermoelectric conversion material according to Comparative Example 1.
  • thermoelectric conversion material formed from the MgD alloy not containing Se is p-type. Addition of Se to the MgD alloy dramatically improves the thermoelectric conversion performance index ZT. Moreover, the addition of Se to the MgD alloy causes the value of the Seebeck coefficient S to be negative. This means that the addition of Se to the MgD alloy makes the thermoelectric conversion material n-type.
  • Example 2 to 4 and Comparative Example 2 In Examples 2 to 4 and Comparative Example 2, the same experiment as in Example 1 except that the molar ratio of the starting material Mg: Sb: Bi: Se was the molar ratio shown in Table 3. Was done.
  • thermoelectric conversion material that is, the molar ratio of Se contained in the thermoelectric conversion material
  • e that is, the molar ratio of Se contained in the thermoelectric conversion material
  • Comparative Example 1 when the value of e is equal to 0, the thermoelectric conversion material is p-type.
  • Comparative Example 2 when the value of e is equal to 0.08, the values of ZT max , ZT 330K , and S 330K are all low. This means that the thermoelectric conversion material according to Comparative Example 2 has low performance.
  • Example 5 to 8 and Comparative Example 3 In Examples 5 to 8 and Comparative Example 3, Te was used instead of Se.
  • the same experiment as in Example 1 was performed except that the molar ratio of the starting material Mg: Sb: Bi: Te was the molar ratio shown in Table 4.
  • the thermoelectric conversion material according to Example 6 was subjected to X-ray diffraction analysis.
  • FIG. 2C shows the result.
  • FIG. 2B that is, Example 1
  • FIG. 2C revealed that the thermoelectric conversion material according to Example 6 also has a La 2 O 3 type crystal structure.
  • FIG. 2C revealed that the thermoelectric conversion material containing Te instead of Se also has a La 2 O 3 type crystal structure.
  • the value of e (that is, the molar ratio of Te contained in the thermoelectric conversion material) is preferably 0.001 or more and 0.04 or less. Considering Table 3, even when Te is used instead of Se, if the value of e is 0.06 or less, the thermoelectric conversion material will have high performance. As is clear from Comparative Example 3, when the value of e is equal to 0.09, the values of ZT max , ZT 330K , and S 330K are all low. This means that the thermoelectric conversion material according to Comparative Example 3 has low performance.
  • Example 9 to 12 In Examples 9 to 12, the same experiment as in Example 1 was performed, except that the molar ratio of the starting material Mg: Sb: Bi: Se was the molar ratio shown in Table 5.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention has high performance even when either one of Sb and Bi is not contained.
  • thermoelectric conversion materials according to Examples 13 to 20 and Comparative Example 4 further contained at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Yb.
  • the starting Mg: A: Sb: Bi: Se molar ratio A is selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Yb.
  • the same experiment as in Example 1 was conducted except that the molar ratio shown in Table 6 was at least one.
  • Ca powder, Sr powder, Ba powder, and Yb powder were dissolved together with granular Bi and granular Sb by an arc melting method.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention may further contain at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Yb.
  • thermoelectric conversion materials according to Examples 21 to 26 and Comparative Examples 5 to 6 further contained at least one selected from the group consisting of Mn and Zn.
  • the molar ratio of the starting material Mg: B: Sb: Bi: Se B is selected from the group consisting of Mn and Zn.
  • the experiment similar to Example 1 was conducted except that the molar ratio shown in Table 7 was at least one).
  • the Mn powder was dissolved by the arc melting method together with the granular Bi and the granular Sb. Zn powder was introduced into the carbon crucible with the tablet.
  • thermoelectric conversion material according to the present invention can further contain at least one selected from the group consisting of Mn and Zn.
  • Example 27 to 29 In Examples 27 to 29, an experiment similar to Example 1 was performed, except that the molar ratio of the starting material Mg: Sb: Bi: Se was the molar ratio shown in Table 8.
  • thermoelectric conversion materials according to Examples 27 to 29 also have a high thermoelectric conversion performance index ZT.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature and the thermoelectric conversion performance index ZT of the thermoelectric conversion materials according to Example 1, Example 6, and Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient S of the thermoelectric conversion materials according to Example 1, Example 6, and Comparative Example 1.
  • the addition of Se to the MgD alloy dramatically improves the thermoelectric conversion performance index ZT. Moreover, the addition of Se to the MgD alloy causes the value of the Seebeck coefficient S to be negative. This means that the addition of Se to the MgD alloy makes the thermoelectric conversion material n-type.
  • thermoelectric conversion material by this invention can be used for the thermoelectric conversion apparatus which converts a thermal energy into an electrical energy.

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Abstract

本発明は、Ｍｇ３＋ｍＡａＢｂＤ２－ｅＥｅにより表される熱電変換材料を提供する。ここで、元素Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種を表し、元素Ｂは、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種を表し、ｍの値は－０．３９以上０．４２以下であり、ａの値は０以上０．１２以下であり、ｂの値は０以上０．４８以下であり、元素Ｄは、ＳｂおよびＢｉからなる群から選択される少なくとも１種を表し、元素Ｅは、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択される少なくとも１種を表し、ｅの値は、０．００１以上０．０６以下であり、前記熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型の結晶構造を有し、かつ前記熱電変換材料は、ｎ型である。

Description

熱電変換材料
　本発明は熱電変換材料に関する。
　非特許文献１は、化学式Ｍｇ３Ｂｉ２－ｘＰｎｘ（Ｐｎ＝ＰおよびＳｂ）により表される熱電変換材料を開示している。
　非特許文献２は、化学式Ｍｇ３Ｓｂ２－ｘＢｉｘ（０≦ｘ≦０．４）により表される熱電変換材料を開示している。
　非特許文献３は、化学式Ｍｇ３－ｘＭｎｘＳｂ２（０≦ｘ≦０．４）により表される熱電変換材料を開示している。
V. Ponnambalam et. al., "On the Thermoelectric Properties of Zintl Compounds Mg3Bi2-xPnx(Pn = P and Sb)", Journal of Electronic Materials, Vol. 42, No. 7, 2013, pp. 1307-1312 A. Bhardwaj et. al., "Mg3Sb2-based Zintl compound: a non-toxic, inexpensive and abundant thermoelectric material for power generation", RSC Advances, 2013, Vol.3, pp. 8504-8516 Soohyun Kim et. al, "Thermoelectric properties of Mn-doped Mg-Sb single crystals", Journal of Materials Chemistry, 2014, Vol. 2, pp. 12311-12316
　本発明の目的は、新規な熱電変換材料を提供することにある。
　本発明は、以下の化学式（Ｉ）により表される熱電変換材料を提供する。
　　Ｍｇ３＋ｍＡａＢｂＤ２－ｅＥｅ　　（Ｉ）
　ここで、
　元素Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　元素Ｂは、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　ｍの値は－０．３９以上０．４２以下であり、
　ａの値は０以上０．１２以下であり、
　ｂの値は０以上０．４８以下であり、
　元素Ｄは、ＳｂおよびＢｉからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　元素Ｅは、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　ｅの値は、０．００１以上０．０６以下であり、
　前記熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型の結晶構造を有し、かつ
　前記熱電変換材料は、ｎ型である。
　本発明は、新規な熱電変換材料を提供する。
図１は、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造の模式図を示す。 図２Ａは、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造の回折スペクトル解析結果を示すグラフである。 図２Ｂは、実施例１による熱電変換材料のＸ線回折分析の結果を示すグラフである。 図２Ｃは、実施例６による熱電変換材料のＸ線回折分析の結果を示すグラフである。 図３は、温度および実施例１、実施例６、および比較例１による熱電変換材料の熱電変換性能指数ＺＴの間の関係を示すグラフである。 図４は、温度および実施例１、実施例６、および比較例１による熱電変換材料のゼーベック係数Ｓの関係を示すグラフである。 図５は、実施例１におけるエネルギー分散型Ｘ線分光法の分析結果を示すグラフである。 図６は、実施例１による熱電変換材料の透過型電子顕微鏡像を表す図である。
　以下、本発明が詳細に説明される。
　本発明による熱電変換材料は、以下の化学式（Ｉ）により表される。
　Ｍｇ３＋ｍＡａＢｂＤ２－ｅＥｅ　　（Ｉ）
　元素Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　元素Ｂは、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　ｍの値は－０．３９以上０．２１以下であり、
　ａの値は０以上０．１２以下であり、
　ｂの値は０以上０．４８以下であり、
　元素Ｄは、ＳｂおよびＢｉからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
　元素Ｅは、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択される少なくとも１種を表し、かつ
　ｅの値は、０．００１以上０．０６以下である。
　本発明による熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型の結晶構造を有し、かつｎ型である。
　ａの値は０であり得る。従って、本発明による熱電変換材料は、元素Ａを含むとは限らない。同様に、ｂの値は０であり得る。従って、本発明による熱電変換材料は、元素Ｂを含むとは限らない。さらに、以下の数式（ＩＩＩ）が充足され得る。
　ａ＝ｂ＝０　　　（ＩＩＩ）
　一方、本発明による熱電変換材料は、元素Ｍｇ、元素Ｄ、および元素Ｅを含有しなければならない。
　本発明による熱電変換材料は、元素Ｅを含有すること、およびｅの値が０．００１以上０．０６以下であることの両者によって特徴づけられる。
　熱電変換材料の技術分野においてよく知られているように、熱電変換材料の性能は、熱電変換性能指数ＺＴおよびゼーベック係数Ｓにより表される。後述される実施例１～実施例４および比較例１～比較例２において実証されているように、ｅの値が０．００１以上０．０６以下である場合、熱電変換材料の性能が飛躍的に向上する。表３を参照せよ。さらに、そのような熱電変換材料は、ｎ型である。一方、比較例１において実証されているように、ｅの値が０に等しい場合、熱電変換材料は低い性能を有し、かつｐ型である。ｅの値が０．０６を超える場合もまた、熱電変換材料の性能は低い。望ましくは、ｅの値は０．００４以上０．０２０以下である。
　本発明による熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造を有する。図１は、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造の模式図を示す。本発明による熱電変換材料は、単結晶性であってもよく、多結晶性であってもよい。
　ｍの値は、－０．３９以上０．４２以下である。後述される実施例２６および実施例２９を参照せよ。ｍの値は－０．３９以上０．２１以下であり得る。ａおよびｂの値の少なくともいずれか一方が０よりも大きい場合、ｍ、ａ、およびｂの値の間では、以下の数式（ＩＩ）が充足されることが望ましい。
　ｍ＝ｍ’－ａ－ｂ　　（ＩＩ）
　ここで、
　ｍ’は、０以上０．４２以下である。
　ｍ’の値が０に等しい場合については、実施例２６を参照せよ。ｍ’ の値が０．４２に等しい場合は、実施例２９を参照せよ。
　（製造方法）
　本発明による熱電変換材料の製造方法の一例が、以下、説明される。まず、アンチモン－ビスマス合金が、摂氏１０００度～摂氏１５００度の温度でアンチモンおよびビスマスをアーク溶解法に溶解させることにより得られる。次に、アンチモン－ビスマス合金、マグネシウム粉末、およびセレン粉末がるつぼに投入される。るつぼが摂氏８００度～摂氏１５００度の温度に加熱され、ＭｇＳｂＢｉＳｅ合金が得られる。
　つるぼでの加熱時に元素がつるぼから飛び出す。従って、得られた熱電変換材料のモル比は、出発物質のモル比にめったに一致しないことに留意せよ。
　ＭｇＳｂＢｉＳｅ合金は、スパークプラズマ焼結に供され、ＭｇＳｂＢｉＳｅの結晶を得る。このようにして、ＭｇＳｂＢｉＳｅの結晶から形成される熱電変換材料が得られる。
　以下の実験例を参照しながら、本発明がより詳細に説明される。
　（実施例１）
　（製造方法）
　実施例１では、化学式Ｍｇ３．０８Ｓｂ１．４９Ｂｉ０．４９Ｓｅ０．０２により表され、かつＬａ２Ｏ３結晶構造を有する熱電変換材料が以下のように製造された。
　まず、粒状アンチモン（５．４８グラム、０．０４５モル）および粒状ビスマス（３．０１グラム、０．０１４４モル）がアーク熔解法により、摂氏１０００～１５００度の温度下で溶解され、アンチモンおよびビスマスの合金を得た。合金は乳鉢中で粉砕され、Ｓｂ－Ｂｉの粉末が得られた。
　次に、Ｓｂ－Ｂｉの粉末に、マグネシウム粉末（２．３３グラム、０．０９６モル）およびセレン粉末（０．０４７４グラム、０．０００６モル）が添加された。これらの粉末は、十分に混合された。実施例１においては、出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比は、０．０９６：０．０４５：０．０１４４：０．０００６、すなわち、３．２：１．５：０．４８：０．０２であった。
　混合された粉末は打錠機に供され、タブレットを得た。タブレットは、カーボンるつぼに投入された。カーボンるつぼはアルゴンガスにより満たされた。タブレットは、摂氏８００～１０００度の温度下で１０秒間の間、加熱された。このようにして、タブレットは溶融され、インゴットを得た。
　インゴットは、アルゴンにより満たされたグローブボックス中に置かれた乳鉢中に投入された。インゴットは、グローブボックス中で粉砕され、ＭｇＳｂＢｉＳｅの粉末を得た。各粉末は、１００μｍ以下の粒径を有していた。
　粉末は、以下のようなスパークプラズマ焼結法（以下、「ＳＰＳ法」という）により、焼結された。まず、粉末は、グラファイトから形成された円筒形のダイに充填された。円筒形のダイは、５０ミリメートルの外径および１０ミリメートルの内径を有していた。アルゴンガスを円筒形のダイに供給した。円筒形のダイに充填された材料に５０ＭＰａの圧力が印加されながら、材料にパルス電流が流された。このようにして、およそ摂氏２０度／分の速度で、円筒形のダイに充填された材料の温度が上昇された。材料の温度は、摂氏６００度で３０分間維持された。次いで、材料の温度を室温まで低下させて、緻密な焼結体が得られた。このようにして、実施例１による熱電変換材料が得られた。
　（組成比の特定）
　実施例１による熱電変換材料の化学組成が、エネルギー分散型Ｘ線分光法（以下、「ＥＤＸ」という）により分析された。具体的には、実施例１による熱電変換材料は、Ｘ線分光器（Ｂｒｕｋｅｒ社製、商品名：ＸＦｌａｓｈ６｜１０）に供された。図５は、実施例１におけるＥＤＸの結果を示すグラフである。図５より、実施例１による熱電変換材料は、Ｍｇ３．０８Ｓｂ１．４９Ｂｉ０．４９Ｓｅ０．０２の組成を有していることが明らかとなった。
　（結晶構造の観察）
　実施例１による熱電変換材料は、Ｘ線回折分析に供された。図２Ｂは、その結果を示す。図２Ａは、０．４６０ナノメートルのａ軸方向格子定数、０．４６０ナノメートルのｂ軸方向格子定数、および０．７２９ナノメートルのｃ軸方向格子定数を有するＬａ２Ｏ３型結晶構造（またはＣａＡｌ２Ｓｉ２型構造）のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。実施例１における回折スペクトルに含まれるピークは、図２Ａにおける回折ピークと一致する。従って、図２Ｂより、実施例１による熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造を有していることが明らかとなった。
　図６は、実施例１による熱電変換材料の透過型電子顕微鏡像を示す。上記の３つの格子定数を有するＬａ２Ｏ３型結晶構造に含まれる結晶粒の原子配列周期は、図６に示された配向方向に沿って規定される原子配列周期と一致した。言い換えれば、図６より、実施例１による熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型構造を有する多結晶体であることが明らかとなった。
　以下の表１は、実施例１による熱電変換材料のゼーベック係数Ｓおよび熱電変換性能指数ＺＴを示す。ゼーベック係数Ｓおよび熱電変換性能指数ＺＴの算出方法の詳細については、米国特許出願番号１４／８４７，３２１（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ２０１４／００１８８２）、米国特許出願番号１４／８４７，３６２（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ２０１４／００１８８３）、および米国特許出願番号１４／７１８，４９１（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ２０１４／００１８８５）を参照せよ。これら３つの特許出願は、いずれも本願に援用される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
   
　表１から明らかなように、ゼーベック係数Ｓは負の値である。これは、実施例１による熱電変換材料がｎ型であることを意味する。
　実施例１による熱電変換材料は、３３１Ｋの温度下でも、０．５８という高い熱電変換性能指数ZTを有する。同様に、実施例１による熱電変換材料は、７１３Ｋの温度下で１．４９という高い熱電変換性能指数ZTを有する。
　（比較例１）
　粒状アンチモン、粒状ビスマス、マグネシウム粉末、およびセレン粉末の重さがそれぞれ５．４８グラム（すなわち、０．０４５モル）、３．１３グラム（すなわち、０．０１５モル）、２．３３グラム（すなわち、０．０９６モル）、および０グラム（すなわち、０モル）であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。比較例１ではセレンが用いられなかったことに留意せよ。比較例１では、化学式Ｍｇ３．０７Ｓｂ１．４７Ｂｉ０．５３により表される熱電変換材料が得られた。比較例１において、出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比は、０．０９６：０．０４５：０．０１５：０、すなわち、３．２：１．５：０．５：０であった。
　以下の表２は、比較例１による熱電変換材料のゼーベック係数Ｓおよび熱電変換性能指数ＺＴを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  　 
 
　表１および表２の比較から明らかなように、Ｓｅを含まないＭｇＤの合金から形成される熱電変換材料はｐ型である。ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は、熱電変換性能指数ＺＴを飛躍的に向上させる。また、ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は、ゼーベック係数Ｓの値を負の値にさせる。このことは、ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は熱電変換材料をｎ型にさせることを意味する。
　（実施例２～実施例４および比較例２）
　実施例２～実施例４および比較例２においては、出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比が、表３に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　表３から明らかなように、高い熱電変換性能指数ＺＴおよび負のゼーベック係数Ｓのためには、ｅ（すなわち、熱電変換材料に含まれるＳｅのモル比）の値は、０．００１以上０．０６以下であることが必要とされる。比較例１から明らかなように、ｅの値が０に等しい場合には、熱電変換材料はｐ型である。比較例２から明らかなように、ｅの値が０．０８に等しい場合には、ＺＴｍａｘの値、ＺＴ３３０Ｋの値、およびＳ３３０Ｋの値はいずれも低い。これは、比較例２に係る熱電変換材料は、低い性能を有することを意味する。
　（実施例５～実施例８および比較例３）
　実施例５～実施例８および比較例３においては、Ｓｅに代えて、Ｔｅが用いられた。出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｔｅのモル比が、表４に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。実施例６による熱電変換材料は、Ｘ線回折分析に供された。図２Ｃは、その結果を示す。図２Ｂ（すなわち、実施例１）の場合と同様、図２Ｃより、実施例６による熱電変換材料もまた、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造を有していることが明らかとなった。言い換えれば、図２Ｃにより、Ｓｅに代えてＴｅを含有する熱電変換材料もまた、Ｌａ２Ｏ３型結晶構造を有していることが明らかとなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
  
　表４から明らかなように、ｅの値（すなわち、熱電変換材料に含まれるＴｅのモル比）は、０．００１以上０．０４以下が望ましい。表３を考慮すれば、Ｓｅに代えてＴｅが用いられる場合においても、ｅの値が０．０６以下であれば、熱電変換材料は、高い性能を有するであろう。比較例３から明らかなように、ｅの値が０．０９に等しい場合には、ＺＴｍａｘの値、ＺＴ３３０Ｋの値、およびＳ３３０Ｋの値はいずれも低い。これは、比較例３に係る熱電変換材料は、低い性能を有することを意味する。
　（実施例９～実施例１２）
　実施例９～実施例１２では、出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比が、表５に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
  
　表５から明らかなように、ＳｂまたはＢｉのいずれか一方が含有されない場合であっても、本発明による熱電変換材料は、高い性能を有する。
　（実施例１３～実施例２０および比較例４）
　実施例１３～実施例２０および比較例４による熱電変換材料は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種をさらに含有していた。言い換えれば、実施例１３～実施例２０および比較例４においては、出発物質のＭｇ：Ａ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比（Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種を表す）が、表６に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。Ｃａ粉末、Ｓｒ粉末、Ｂａ粉末、およびＹｂ粉末は、粒状Ｂｉおよび粒状Ｓｂと共にアーク溶解法により溶解された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
  　 
  
　表６から明らかなように、本発明による熱電変換材料は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種をさらに含有することができる。
　（実施例２１～実施例２６および比較例５～比較例６）
　実施例２１～実施例２６および比較例５～比較例６による熱電変換材料は、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種をさらに含有していた。言い換えれば、実施例２１～実施例２６および比較例５～比較例６においては、出発物質のＭｇ：Ｂ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比（Ｂは、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種を表す）が、表７に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。Ｍｎ粉末は、粒状Ｂｉおよび粒状Ｓｂと共にアーク熔解法により溶解された。Ｚｎ粉末は、タブレットと共にカーボンるつぼに導入された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
  
  
　表７から明らかなように、本発明による熱電変換材料は、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種をさらに含有することができる。
　（実施例２７～実施例２９）
　実施例２７～実施例２９では、出発物質のＭｇ：Ｓｂ：Ｂｉ：Ｓｅのモル比が、表８に示されるモル比であったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
  
  　 
  
　表８から明らかなように、実施例２７～実施例２９による熱電変換材料もまた、高い熱電変換性能指数ZT を有する。
　図３は、温度および実施例１、実施例６、および比較例１による熱電変換材料の熱電変換性能指数ＺＴの間の関係を示すグラフである。
　図４は、温度および実施例１、実施例６、および比較例１による熱電変換材料のゼーベック係数Ｓの関係を示すグラフである。
　図３および図４から明らかなように、ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は、熱電変換性能指数ＺＴを飛躍的に向上させる。また、ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は、ゼーベック係数Ｓの値を負の値にさせる。このことは、ＭｇＤの合金へのＳｅの添加は熱電変換材料をｎ型にさせることを意味する。
　本発明による熱電変換材料は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に用いられ得る。
 

Claims (5)

  1. 　以下の化学式（Ｉ）により表される熱電変換材料。
    　　Ｍｇ３＋ｍＡａＢｂＤ２－ｅＥｅ　　（Ｉ）
    　ここで、
    　元素Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＹｂからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
    　元素Ｂは、ＭｎおよびＺｎからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
    　ｍの値は－０．３９以上０．４２以下であり、
    　ａの値は０以上０．１２以下であり、
    　ｂの値は０以上０．４８以下であり、
    　元素Ｄは、ＳｂおよびＢｉからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
    　元素Ｅは、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択される少なくとも１種を表し、
    　ｅの値は、０．００１以上０．０６以下であり、
    　前記熱電変換材料は、Ｌａ２Ｏ３型の結晶構造を有し、かつ
    　前記熱電変換材料は、ｎ型である。
  2. 　請求項１に記載の熱電変換材料であって、
    　以下の数式（ＩＩ）が充足される
    　ｍ＝ｍ’－ａ－ｂ　　（ＩＩ）
    　ここで、
    　ａおよびｂの値の少なくとも一方が０よりも大きく、かつ
    　ｍ’の値は、０以上０．２１以下である。
  3. 　請求項１に記載の熱電変換材料であって、
    　ｅの値が、０．００４以上０．０２０以下である。
  4. 　請求項２に記載の熱電変換材料であって、
    　ｅの値が、０．００４以上０．０２０以下である。
  5. 　請求項１に記載の熱電変換材料であって、
    　以下の数式（ＩＩＩ）が充足される。
    　ａ＝ｂ＝０　　　（ＩＩＩ）
     
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