WO2023162844A1 - Silicon alloy, and thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module including same - Google Patents

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幸田陽一朗
秋池良
召田雅実
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Abstract

The present invention provides at least one of: a silver-barium-silicon silicon alloy that has both a large Seebeck coefficient at low temperatures and high density; a thermoelectric material including the silicon alloy; a thermoelectric element including the thermoelectric material; and a thermoelectric module including the thermoelectric element. The silver-barium-silicon silicon alloy includes at least one group 14 element selected from among germanium, tin, and lead, and the content of the group 14 element is less than 9 at%.

Description

シリコン合金、該シリコン合金を含む熱電変換素子及び熱電変換モジュールSilicon alloy, thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module containing the silicon alloy
 本開示は、シリコン合金及びその用途、更には熱電材料として適したシリコン合金及びこれを使用する熱電材料に関する。 The present disclosure relates to silicon alloys and their uses, as well as silicon alloys suitable as thermoelectric materials and thermoelectric materials using the same.
 熱電材料は熱電変換素子に組み込まれ、熱電変換モジュールとして使用されている。近年、ウェアラブルデバイスへの適用などを目的とし、熱電変換モジュールの小型化に対する需要も高くなってきている。従来、ビスマス(Bi)とテルル(Te)からなるビスマスーテルル合金が熱電材料として使用されてきた。しかしながら、低環境負荷や、低コストなどの観点から、シリコン(Si)とシリコン以外の元素を含むシリコン合金が、熱電材料として検討されている。 Thermoelectric materials are incorporated into thermoelectric conversion elements and used as thermoelectric conversion modules. In recent years, the demand for miniaturization of thermoelectric conversion modules has been increasing for the purpose of application to wearable devices. Conventionally, a bismuth-tellurium alloy composed of bismuth (Bi) and tellurium (Te) has been used as a thermoelectric material. However, silicon alloys containing silicon (Si) and elements other than silicon are being studied as thermoelectric materials from the viewpoint of low environmental load and low cost.
 熱電材料として機能するシリコン合金として、MgSiのMgがAlに置換したn型の熱電材料(特許文献1)や、MgSi及びCaMgSiの2相からなるp型の熱電材料(特許文献2)などが報告されている。また、室温に対して高い熱電変換性能を得ることが可能なp型の熱電材料として機能するシリコン合金として、本発明者らは、銀、バリウム及びシリコンを主成分とするシリコン合金(珪化物系合金材料)を報告している(特許文献3)。 Silicon alloys that function as thermoelectric materials include an n-type thermoelectric material in which Mg in Mg 2 Si is substituted with Al (Patent Document 1), and a p-type thermoelectric material composed of two phases of Mg 2 Si and CaMgSi (Patent Document 2). ) have been reported. In addition, as a silicon alloy that functions as a p-type thermoelectric material capable of obtaining high thermoelectric conversion performance at room temperature, the present inventors have found a silicon alloy (silicide-based alloy material) has been reported (Patent Document 3).
日本国特開2002-368291号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-368291 日本国特開2008-147261号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-147261 日本国特開2021-181397号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-181397
 特許文献3で開示されたAg-Ba-Si系のシリコン合金は、特許文献1及び2で開示されたシリコン合金と比べて、低温(50℃)における高い熱電変換性能を示す。しかしながら、当該シリコン合金のゼーベック係数の絶対値の増加には密度低下を伴うものであった。 The Ag-Ba-Si-based silicon alloy disclosed in Patent Document 3 exhibits higher thermoelectric conversion performance at low temperatures (50°C) than the silicon alloys disclosed in Patent Documents 1 and 2. However, an increase in the absolute value of the Seebeck coefficient of the silicon alloy was accompanied by a decrease in density.
 本開示は、低温における大きなゼーベック係数を有し、なおかつ、高密度を兼備する銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金、これを含む熱電材料、該熱電材料を含む熱電変換素子、及び、該熱電変換素子を含む熱電変換モジュールの少なくとも1つを提供することを目的とする。 The present disclosure provides a silver-barium-silicon-based silicon alloy having a large Seebeck coefficient at low temperatures and high density, a thermoelectric material containing the same, a thermoelectric conversion element containing the thermoelectric material, and the thermoelectric conversion An object of the present invention is to provide at least one thermoelectric conversion module including an element.
 本発明者らは、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金のゼーベック係数及び緻密化について検討した。その結果、該シリコン合金に特定の元素をドープすることで、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金の密度低下を伴わずにゼーベック係数の絶対値を大きくできることを見出した。 The present inventors studied the Seebeck coefficient and densification of silver-barium-silicon-based silicon alloys. As a result, the present inventors have found that by doping the silicon alloy with a specific element, the absolute value of the Seebeck coefficient can be increased without reducing the density of the silver-barium-silicon-based silicon alloy.
 すなわち、本発明は特許請求の範囲に記載の通りであり、また、本開示の要旨は以下の通りである。
(1) ゲルマニウム、錫及び鉛から選ばれる少なくとも1種の第14族元素を含み、なおかつ、該第14族元素の含有量が9at%未満である、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金。
(2) 前記シリコン合金に含まれる前記第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量を100at%とした場合に、第14族元素の原子割合が1at%以上9at%未満、銀の原子割合が9at%以上27at%以下、バリウムの原子割合が20at%以上53at%以下、及び、シリコンの原子割合が29at%以上64at%以下である、上記(1)に記載のシリコン合金。
(3) 相対密度が97%以上である上記(1)又は(2)に記載のシリコン合金。
(4) 前記第14族元素がゲルマニウム及び錫の少なくともいずれかである、上記(1)乃至(3)のいずれかひとつに記載のシリコン合金。
(5) 上記(1)乃至(4)のいずれかひとつに記載のシリコン合金を含む熱電変換素子。
(6) 上記(1)乃至(4)のいずれかひとつに記載のシリコン合金を含む熱電変換モジュール。
That is, the present invention is as described in the claims, and the gist of the present disclosure is as follows.
(1) A silver-barium-silicon based silicon alloy containing at least one Group 14 element selected from germanium, tin and lead, and containing less than 9 at % of the Group 14 element.
(2) When the total atomic weight of the Group 14 elements, silver, barium and silicon contained in the silicon alloy is 100 atomic %, the atomic ratio of the Group 14 elements is 1 atomic % or more and less than 9 atomic %, and the atomic ratio of silver is 9 at % or more and 27 at % or less, the atomic proportion of barium is 20 at % or more and 53 at % or less, and the atomic proportion of silicon is 29 at % or more and 64 at % or less.
(3) The silicon alloy according to (1) or (2) above, which has a relative density of 97% or more.
(4) The silicon alloy according to any one of (1) to (3) above, wherein the Group 14 element is at least one of germanium and tin.
(5) A thermoelectric conversion element containing the silicon alloy according to any one of (1) to (4) above.
(6) A thermoelectric conversion module containing the silicon alloy according to any one of (1) to (4) above.
 本開示により、低温における大きなゼーベック係数を有し、なおかつ、高密度を兼備する銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金、これを含む熱電材料、該熱電材料を含む熱電変換素子及び該熱電変換素子を含む熱電変換モジュールの少なくとも1つを提供することができる。 According to the present disclosure, a silver-barium-silicon-based silicon alloy having a large Seebeck coefficient at low temperatures and high density, a thermoelectric material containing the same, a thermoelectric conversion element containing the thermoelectric material, and the thermoelectric conversion element At least one of the thermoelectric conversion modules can be provided.
 以下、本開示について実施形態の一例を示して説明する。
[シリコン合金]
 本実施形態は、ゲルマニウム、錫及び鉛から選ばれる少なくとも1種の第14族元素を含み、なおかつ、該第14族元素の含有量が9at%未満である、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金、である。このようなシリコン合金は、低温における高い熱電変換性能を有し、なおかつ、従来の銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金とくらべ、より高い密度を有する。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present disclosure will be described.
[Silicon alloy]
This embodiment is a silver-barium-silicon-based silicon alloy containing at least one Group 14 element selected from germanium, tin and lead, and having a Group 14 element content of less than 9 at%. , is. Such silicon alloys have high thermoelectric conversion performance at low temperatures and have higher densities than conventional silver-barium-silicon based silicon alloys.
 本実施形態おいて、「シリコン合金」はシリコン(Si)と、1種以上のシリコン以外の元素と、からなる金属である。更に、本実施形態のシリコン合金は、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金(以下、「Ag-Ba-Si系合金」ともいう。)であり、これは、シリコンと、少なくとも銀及びバリウムを含む金属、特にシリコンと、銀及びバリウムと、からなる金属であり、上記シリコン以外の元素として銀及びバリウムを含む。 In the present embodiment, a "silicon alloy" is a metal composed of silicon (Si) and one or more elements other than silicon. Furthermore, the silicon alloy of the present embodiment is a silver-barium-silicon-based silicon alloy (hereinafter also referred to as "Ag-Ba-Si-based alloy"), which contains silicon and at least silver and barium. It is a metal, especially a metal composed of silicon, silver and barium, and contains silver and barium as elements other than silicon.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)及び鉛(Pb)から選ばれる少なくとも1種の第14族元素(以下、単に「第14族元素」ともいう。)を含む。第14族元素はゲルマニウム及び錫の少なくともいずれかであることが好ましく、錫であることがより好ましい。 The Ag-Ba-Si-based alloy of the present embodiment is at least one Group 14 element selected from germanium (Ge), tin (Sn) and lead (Pb) (hereinafter simply referred to as "group 14 element" .)including. The Group 14 element is preferably at least one of germanium and tin, more preferably tin.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金の第14族元素の含有量は9at%未満であり、8at%以下又は7at%以下であることが好ましい。第14族元素の含有量がこれ以上のAg-Ba-Si系合金は、電気抵抗の上昇や、密度の著しい低下などが生じるため、低温の熱電変換性能が著しく低下する。第14族元素の含有量は0at%超であり、0.5at%以上又は1at%以上であればよい。好ましい第14族元素の含有量として、0at%超9at%未満、0.5at%以上8at%以下、又は、1at%以上7at%以下が例示できる。 The content of the Group 14 element in the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment is less than 9 at %, preferably 8 at % or less or 7 at % or less. An Ag--Ba--Si alloy with a Group 14 element content higher than this causes an increase in electrical resistance and a significant decrease in density, resulting in a significant decrease in low-temperature thermoelectric conversion performance. The content of the group 14 element is more than 0 atomic %, and may be 0.5 atomic % or more or 1 atomic % or more. A preferred Group 14 element content is more than 0 at % and less than 9 at %, 0.5 at % or more and 8 at % or less, or 1 at % or more and 7 at % or less.
 本実施形態における第14族元素の含有量は、第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量に対する第14族元素の原子量の割合[at%]である。 The content of the Group 14 element in this embodiment is the ratio [at %] of the atomic weight of the Group 14 element to the total atomic weight of the Group 14 element, silver, barium and silicon.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、これに含まれる前記第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量を100at%とした場合に、第14族元素の原子割合が1at%以上9at%未満、銀の原子割合が9at%以上27at%以下、バリウムの原子割合が20at%以上53at%以下、及び、シリコンの原子割合が29at%以上64at%以下であることが好ましい。 Ag-Ba-Si-based alloy of the present embodiment, when the total atomic weight of the Group 14 elements, silver, barium and silicon contained therein is 100 at%, the atomic proportion of Group 14 elements is 1 at% or more. It is preferable that the atomic percentage of silver is 9 at% or more and 27 at% or less, the atomic percentage of barium is 20 at% or more and 53 at% or less, and the atomic percentage of silicon is 29 at% or more and 64 at% or less.
 好ましくは、本実施形態のAg-Ba-Si系合金に含まれる前記第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量を100at%とした場合の、各元素の好ましい原子割合は以下のとおりである。 Preferably, when the total atomic weight of the Group 14 element, silver, barium and silicon contained in the Ag-Ba-Si-based alloy of the present embodiment is 100 at%, the preferred atomic ratio of each element is as follows. be.
   第14族元素:1at%以上又は3at%以上、かつ、
          8at%以下、又は5at%以下
   銀     :9at%以上又は15at%以上、かつ、
          27at%以下
   バリウム  :20at%以上又は30at%以上、かつ、
          53at%以下又は45at%以下
   シリコン  :29at%以上又は32at%以上、かつ、
          64at%以下又は52at%以下
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金に含まれる前記第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量を100at%とした場合の各元素の原子割合が、
  第14族元素 : 1at%以上8at%以下、
  銀      : 9at%以上27at%以下、
  バリウム   : 20at%以上45at%以下、及び、
  シリコン   : 32at%以上64at%以下
であることがより好ましく、
  第14族元素 : 3at%以上5at%以下、
  銀      : 15at%以上27at%以下
  バリウム   : 30at%以上45at%以下、及び、
  シリコン   : 32at%以上52at%以下
であることが更により好ましい。
Group 14 element: 1 at% or more or 3 at% or more, and
8 at% or less, or 5 at% or less Silver: 9 at% or more, or 15 at% or more, and
27 atomic % or less Barium: 20 atomic % or more or 30 atomic % or more, and
53 at% or less or 45 at% or less Silicon: 29 at% or more or 32 at% or more, and
64 at% or less or 52 at% or less When the total atomic weight of the Group 14 elements, silver, barium and silicon contained in the Ag-Ba-Si-based alloy of the present embodiment is 100 at%, the atomic ratio of each element is
Group 14 element: 1 at% or more and 8 at% or less,
Silver: 9 at % or more and 27 at % or less,
Barium: 20 at % or more and 45 at % or less, and
Silicon: more preferably 32 at % or more and 64 at % or less,
Group 14 element: 3 at% or more and 5 at% or less,
Silver: 15 at % or more and 27 at % or less Barium: 30 at % or more and 45 at % or less, and
Silicon: More preferably 32 at % or more and 52 at % or less.
 なお、本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、その効果を奏する範囲であれば、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物として、例えば、タングステン(W)、銅(Cu)、鉄(Fe)及びアルミニウム(Al)の群から選ばれる1以上の金属元素若しくはこれらの化合物、タングステン、銅、鉄及びアルミニウムの群から選ばれる1以上の酸化物が挙げられる。本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、金属不純物を含まないことが好ましく、例えば、タングステン、銅、鉄及びアルミニウムの合計含有量が100質量ppm以下、更には10ppm以下、また更には測定限界以下であることが好ましい。 It should be noted that the Ag--Ba--Si-based alloy of the present embodiment may contain unavoidable impurities as long as the effect is exhibited. As inevitable impurities, for example, one or more metal elements selected from the group of tungsten (W), copper (Cu), iron (Fe) and aluminum (Al) or compounds thereof, tungsten, copper, iron and aluminum One or more selected oxides may be mentioned. The Ag-Ba-Si alloy of the present embodiment preferably does not contain metal impurities, for example, the total content of tungsten, copper, iron and aluminum is 100 mass ppm or less, further 10 ppm or less, or even measured It is preferably below the limit.
 本実施形態おける組成は、一般的なICP-MS装置(例えば、Vista-PRO、セイコーインストゥルメンツ製)を使用し、ICP-MS質量分析法により測定すればよい。 The composition in this embodiment may be measured by ICP-MS mass spectrometry using a general ICP-MS device (eg Vista-PRO, manufactured by Seiko Instruments).
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は相対密度が97%以上であることが好ましく、98%以上であることがより好ましい。この様な相対密度を有することで、ゼーベック係数が高くなりやすく、なおかつ、電気抵抗率が低くなりやすくなると共に、本実施形態のAg-Ba-Si系合金を熱電変換材料として使用又は加工に適した強度を有しやすくなる。熱伝導率が低下しやすくなるため、相対密度は99.5%以下又は99.0%以下であればよい。好ましい相対密度の範囲として、97%以上99.5%以下、又は、98%以上99.5%以下が例示できる。 The relative density of the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment is preferably 97% or higher, more preferably 98% or higher. By having such a relative density, the Seebeck coefficient tends to increase, and the electrical resistivity tends to decrease, and the Ag-Ba-Si alloy of the present embodiment is suitable for use or processing as a thermoelectric conversion material. It becomes easier to have a strong strength. Since the thermal conductivity tends to decrease, the relative density may be 99.5% or less or 99.0% or less. A preferable range of relative density is 97% or more and 99.5% or less, or 98% or more and 99.5% or less.
 本実施形態における相対密度は、理論密度[g/cm]に対する実測密度[g/cm]の割合[%]である。理論密度は、AgBaSiの理論密度4.78[g/cm]から組成変化を考慮した以下の(1)式から求まる値である。実測密度は、JIS R 1634に準じた方法で測定される値である。 The relative density in this embodiment is the ratio [%] of the measured density [g/cm 3 ] to the theoretical density [g/cm 3 ]. The theoretical density is a value obtained from the following formula (1) considering the composition change from the theoretical density of AgBa 2 Si 3 of 4.78 [g/cm 3 ]. The measured density is a value measured by a method according to JIS R 1634.
  理論密度[g/cm] = 4.78×{M/MAgBa2Si3}  (1)
 上式において、Mは実測密度を測定したAg-Ba-Si系合金の物質量[g/mol]、及び、MAgBa2Si3はAgBaSiの物質量(=466.8[g/mol])である。Mの算出において、Ag-Ba-Si系合金の組成はICP-MS質量分析法により得られる組成を用いればよく、また、各元素の物質量は、Agが107.9[g/mol]、Baが137.3[g/mol]、Siが28.1[g/mol]、Geが72.6[g/mol]、Snが118.7[g/mol]、及び、Pbが207.2[g/mol]とすればよい。
Theoretical density [g/cm 3 ] = 4.78 × {M/M AgBa2Si3 } (1)
In the above formula, M is the amount of Ag—Ba—Si-based alloy whose density was measured [g/mol], and M AgBa2Si3 is the amount of AgBa 2 Si 3 (=466.8 [g/mol]). is. In calculating M, the composition of the Ag—Ba—Si-based alloy may be the composition obtained by ICP-MS mass spectrometry. Ba is 137.3 [g/mol], Si is 28.1 [g/mol], Ge is 72.6 [g/mol], Sn is 118.7 [g/mol], and Pb is 207. 2 [g/mol] may be used.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金の形状は用途に応じた形状であればよく、例えば、不定形状及び粉末状以外の形状、更には円板状、円柱状、錐体状、略球状及び多角形状の群から選ばれる1以上であること、また更には円板状及び円柱状の少なくともいずれかであることが挙げられる。 The shape of the Ag--Ba--Si-based alloy of the present embodiment may be any shape according to the application. and one or more selected from the group of polygonal shapes, and at least one of disc-shaped and columnar-shaped.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金のゼーベック係数は、絶対値が120μV/Kを超え、130μV/K以上又は200μV/K以上であることが好ましく、また、500μV/K以下又は300μV/K以下であることが挙げられる。ゼーベック係数は、120μV/Kを超え500μV/K以下、130μV/K以上500μV/K以下、又は、200μV/K以上300μV/K以下であればよい。この様なゼーベック係数を有し、なおかつ、上述の相対密度を兼備することで、小型の熱電変換モジュールとしてより適用しやすくなる。 The Seebeck coefficient of the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment has an absolute value exceeding 120 μV/K, preferably 130 μV/K or more or 200 μV/K or more, and 500 μV/K or less or 300 μV/K. The following are mentioned. The Seebeck coefficient should be more than 120 μV/K and 500 μV/K or less, 130 μV/K or more and 500 μV/K or less, or 200 μV/K or more and 300 μV/K or less. By having such a Seebeck coefficient and having the above-described relative density, it becomes easier to apply as a small thermoelectric conversion module.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金の電気抵抗率は1.00×10-3Ω・cm以上であることが好ましく、また、1.00×10-1Ω・cm以下又は1.00×10-2Ω・cm以下であることが好ましい。好ましい電気抵抗率の範囲は、1.00×10-3Ω・cm以上1.00×10-1Ω・cm以下、又は、1.00×10-3Ω・cm以上1.00×10-2Ω・cm以下が例示できる。 The electrical resistivity of the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment is preferably 1.00×10 −3 Ω·cm or more, and 1.00×10 −1 Ω·cm or less or 1.00 ×10 −2 Ω·cm or less is preferable. A preferable electrical resistivity range is 1.00×10 −3 Ω·cm or more and 1.00×10 −1 Ω·cm or less, or 1.00×10 −3 Ω·cm or more and 1.00×10 − 2 Ω·cm or less can be exemplified.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金の熱伝導率は0.1W/mK以上又は0.5W/mK以上であることが好ましく、また、20W/mK以下又は5W/mK以下であることが好ましい。好ましい熱伝導率の範囲は、0.1W/mK以上20W/mK以下、又は、0.5W/mK以上5W/mK以下が例示できる。 The thermal conductivity of the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment is preferably 0.1 W/mK or more or 0.5 W/mK or more, and is preferably 20 W/mK or less or 5 W/mK or less. preferable. A preferable range of thermal conductivity is 0.1 W/mK or more and 20 W/mK or less, or 0.5 W/mK or more and 5 W/mK or less.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、Ag-Ba-Si系のシリコン合金が有する高い熱電変換性能を示すことが好ましい。本実施形態における熱電変換性能は、以下の(2)式により求めることができる。 The Ag--Ba--Si-based alloy of the present embodiment preferably exhibits high thermoelectric conversion performance that Ag--Ba--Si-based silicon alloys have. The thermoelectric conversion performance in this embodiment can be obtained by the following formula (2).
          ZT=ST/ρκ   (2)
 (2)式において、Zは性能指数、Tは絶対温度[K]、Sはゼーベック係数[V/K]、ρは電気抵抗率[Ω・m]及びκは熱伝導率[W/K・m]である。さらに、S/ρはパワーファクター[W/K・m]である。
ZT=S 2 T/ρκ (2)
In formula (2), Z is the figure of merit, T is the absolute temperature [K], S is the Seebeck coefficient [V / K], ρ is the electrical resistivity [Ω ・ m] and κ is the thermal conductivity [W / K ・m]. Furthermore, S 2 /ρ is the power factor [W/K 2 ·m].
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、低温における熱電変換性能が高いことが好ましく、T=323[K](=50℃)における熱電変換性能(ZT)が0.04以上、0.05以上又は0.10以上であることが挙げられる。T=323[K]における熱電変換性能(ZT)は、例えば、0.30以下、0.25以下、0.20以下又は0.18以下であることが挙げられる。熱電変換性能(ZT)は、0.04以上0.30以下であることがより好ましく、0.05以上0.25以下が更に好ましく、0.10以上0.23が更により好ましい。 The Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment preferably has high thermoelectric conversion performance at low temperatures, and the thermoelectric conversion performance (ZT) at T=323 [K] (=50° C.) is 0.04 or more, 0.04 or more. 05 or more or 0.10 or more. The thermoelectric conversion performance (ZT) at T=323 [K] is, for example, 0.30 or less, 0.25 or less, 0.20 or less, or 0.18 or less. The thermoelectric conversion performance (ZT) is more preferably 0.04 or more and 0.30 or less, still more preferably 0.05 or more and 0.25 or less, and even more preferably 0.10 or more and 0.23.
 モジュールとして使用した際の振動やヒートショックへの耐性が向上しやすいため、本実施形態のAg-Ba-Si系合金は機械強度が高いことが好ましく、特にビッカース硬度が高いことがより好ましく、ビッカース硬度及び破壊靭性が高いことがより好ましい。 Since the resistance to vibration and heat shock when used as a module is likely to be improved, the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment preferably has high mechanical strength, and more preferably has high Vickers hardness. High hardness and fracture toughness are more preferred.
 例えば、熱電材料として使用されているビスマス-テルル合金のビッカース硬度は100HV程度である。これに対し、本実施形態のAg-Ba-Si系合金のビッカース硬度は250HV以上又は300HV以上であることが好ましく、これにより実用的な熱電材料として使用することが可能となる。また、ビッカース硬度は1000HV以下又は500HV以下であることが例示できる。本実施形態のAg-Ba-Si系合金のビッカース硬度は250HV以上1000HV以下、又は、300HV以上500HV以下であることが好ましい。 For example, the Vickers hardness of the bismuth-tellurium alloy used as a thermoelectric material is about 100HV. On the other hand, the Vickers hardness of the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment is preferably 250 HV or higher or 300 HV or higher, which makes it possible to use it as a practical thermoelectric material. Also, Vickers hardness can be exemplified to be 1000 HV or less or 500 HV or less. The Vickers hardness of the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment is preferably 250 HV or more and 1000 HV or less, or 300 HV or more and 500 HV or less.
 また、本実施形態のAg-Ba-Si系合金の破壊靭性値は1.0MPa・m1/2以上又は1.2MPa・m1/2以上であることが好ましく、また、3.0以下又は2.0以下であることが例示できる。本実施形態のAg-Ba-Si系合金の破壊靭性値は1.0以上3.0以下、又は、1.2以上2.0以下であればよい。 Further, the fracture toughness value of the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment is preferably 1.0 MPa m 1/2 or more or 1.2 MPa m 1/2 or more, and is 3.0 or less or 2.0 or less can be exemplified. The fracture toughness value of the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment may be 1.0 or more and 3.0 or less, or 1.2 or more and 2.0 or less.
 ビッカース硬度はJIS B7725に準じた方法により測定される値である。1kgfの力で合金材料に角錐形圧子を押し付け、形成された圧痕を顕微鏡により観察し、対角線の水平距離から圧痕の表面積を算出して、ビッカース硬度を計算すればよい。 Vickers hardness is a value measured by a method according to JIS B7725. A pyramidal indenter is pressed against the alloy material with a force of 1 kgf, the formed indentation is observed with a microscope, and the surface area of the indentation is calculated from the horizontal distance of the diagonal line to calculate the Vickers hardness.
 圧痕の頂点部分に形成された亀裂の長さを測定し、以下の式を用いて破壊靭性Kcを算出する。 The length of the crack formed at the top of the indentation is measured, and the fracture toughness Kc is calculated using the following formula.
     Kc=0.026×E1/2×P1/2×C-3/2×a
     E:弾性率(JIS R1602に記載の方法で測定)
     P:押込み加重=1kgf
     C:圧痕の対角線長さの半分
     a:き裂の長さの半分
[シリコン合金の製造方法]
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、上述の特性を有するシリコン合金であればその製造方法は任意である。本実施形態のAg-Ba-Si系合金の好ましい製造方法として、ゲルマニウム、錫及び鉛の群から選ばれる1以上の元素を含む第14族元素、銀、バリウム、並びにシリコンを含む溶融物を、650℃以上950℃以下で処理する工程、を含む製造方法が挙げられる。
Kc=0.026×E 1/2 ×P 1/2 ×C −3/2 ×a
E: elastic modulus (measured by the method described in JIS R1602)
P: Pressing load = 1 kgf
C: half the diagonal length of the indentation a: half the length of the crack [manufacturing method of silicon alloy]
The Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment can be produced by any method as long as it is a silicon alloy having the above characteristics. As a preferred method for producing the Ag-Ba-Si-based alloy of the present embodiment, a Group 14 element containing one or more elements selected from the group of germanium, tin and lead, silver, barium, and silicon A manufacturing method including a step of treating at 650° C. or higher and 950° C. or lower.
 本実施形態の製造方法は、ゲルマニウム、錫及び鉛の群から選ばれる1以上の元素を含む第14族元素、銀、バリウム、並びにシリコンを含む溶融物を、650℃以上950℃以下で処理する工程(以下、「焼成工程」ともいう。)を有する。焼成工程を経ることにより、本実施形態のAg-Ba-Si系合金が得られる。 In the manufacturing method of the present embodiment, a melt containing a Group 14 element containing one or more elements selected from the group of germanium, tin and lead, silver, barium, and silicon is treated at 650° C. or higher and 950° C. or lower. It has a step (hereinafter also referred to as a “firing step”). The Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment is obtained through the firing process.
 焼成工程にはゲルマニウム、錫及び鉛の群から選ばれる1以上の元素を含む第14族元素、銀、バリウム、並びにシリコンを含む溶融物(以下、「原料溶融物」ともいう。)を供する。 For the firing process, a melt (hereinafter also referred to as "raw material melt") containing Group 14 elements containing one or more elements selected from the group of germanium, tin and lead, silver, barium, and silicon is provided.
 原料溶融物は、目的とするAg-Ba-Si系合金と同様な第14族元素、銀、バリウム及びシリコンを含む組成を有していればよく、上述の本実施形態のAg-Ba-Si系合金と同様な組成を有していればよい。 The raw material melt may have a composition containing the same group 14 elements, silver, barium and silicon as the target Ag-Ba-Si alloy, and the Ag-Ba-Si of the present embodiment described above It suffices if it has a composition similar to that of the system alloy.
 焼成工程に供する原料溶融物の形状は任意であり、不定形状及び粉末状の少なくともいいずれかが挙げられる。具体的な原料溶融物の形状として、粒径200μm以下又は150μm以下の粉末状であることが例示できる。操作性(ハンドリング性)が向上するため、原料溶融物の粒径は10μm以上又は50μm以上であればよい。好ましい原料溶融物の粒径の範囲は、10μm以上200μm以下、又は、50μm以上150μm以下が例示できる。 The shape of the raw material melt to be subjected to the firing step is arbitrary, and includes at least one of an irregular shape and a powdery shape. A specific example of the shape of the raw material melt is a powdery form with a particle size of 200 μm or less or 150 μm or less. Since the operability (handling property) is improved, the particle diameter of the raw material melt may be 10 μm or more or 50 μm or more. A preferred range of particle size of the raw material melt is 10 μm or more and 200 μm or less, or 50 μm or more and 150 μm or less.
 焼成工程では、原料溶融物を650℃以上950℃以下で処理する。焼成工程の処理温度は650℃以上であり、700℃以上又は750℃以上であることが好ましい。650℃未満では、原料溶融物の緻密化が進行しない。また、該処理温度は950℃以下であり、900℃以下であることが好ましい。処理温度が950℃を超えると、処理に供する焼成装置の部材(例えば、ホットプレスの型)と原料溶融物が融着し、本実施形態のAg-Ba-Si系合金の歩留まりが著しく低下する、又は、本実施形態のAg-Ba-Si系合金が得られなくなる。好ましい処理温度は700℃以上950℃以下、又は、750℃以上900℃以下であることが例示できる。 In the firing process, the raw material melt is treated at 650°C or higher and 950°C or lower. The treatment temperature in the firing step is 650° C. or higher, preferably 700° C. or higher, or 750° C. or higher. Below 650° C., densification of the raw material melt does not proceed. Also, the treatment temperature is 950° C. or lower, preferably 900° C. or lower. If the treatment temperature exceeds 950° C., the member of the firing device (for example, hot press mold) to be subjected to the treatment and the raw material melt are fused, and the yield of the Ag—Ba—Si alloy of the present embodiment is significantly reduced. Alternatively, the Ag--Ba--Si alloy of this embodiment cannot be obtained. A preferred treatment temperature is 700° C. or higher and 950° C. or lower, or 750° C. or higher and 900° C. or lower.
 焼成工程における処理は、原料溶融物が焼成される処理であればよく、加圧焼成であることが好ましく、ホットプレス処理、熱間静水圧プレス処理及び放電プラズマ焼成処理の少なくともいずれかであることがより好ましく、放電プラズマ焼成処理であることが更に好ましい。 The treatment in the sintering step may be any treatment that sinters the raw material melt, preferably pressure sintering, and at least one of hot press treatment, hot isostatic press treatment, and discharge plasma sintering treatment. is more preferred, and discharge plasma firing treatment is even more preferred.
 以下、放電プラズマ焼成(以下、「SPS」ともいう。)処理を一例として示して焼成工程について説明する。 The firing process will be described below by taking discharge plasma firing (hereinafter also referred to as "SPS") treatment as an example.
 SPS処理は原料溶融物を加圧しながら、該原料溶融物に直接通電することで、これを焼成する処理である。加圧しながら焼成することにより、短時間で高温加熱できる。これにより、粒径の粗大化を伴うことなく、緻密なAg-Ba-Si系合金が得られる。 The SPS process is a process in which the molten raw material is fired by directly energizing the molten raw material while pressurizing it. By firing while pressurizing, it is possible to heat to a high temperature in a short time. As a result, a dense Ag--Ba--Si alloy can be obtained without coarsening the grain size.
 SPS処理において原料溶融物に印加する圧力は10MPa以上又は25MPa以上であり、また、100MPa以下又は75MPa以下であることが好ましい。印加する圧力の好ましい範囲は10MPa以上100MPa以下、又は、25MPa以上75MPa以下でればよい。 The pressure applied to the raw material melt in the SPS treatment is preferably 10 MPa or more or 25 MPa or more, and preferably 100 MPa or less or 75 MPa or less. A preferable range of the applied pressure is 10 MPa or more and 100 MPa or less, or 25 MPa or more and 75 MPa or less.
 SPS処理における雰囲気は真空雰囲気であればよく、真空度が5.0×10-3Pa以下の真空雰囲気、更には真空度が1.0×10-3Pa以上5.0×10-3Pa以下の真空雰囲気であることが好ましい。 The atmosphere in the SPS treatment may be a vacuum atmosphere, a vacuum atmosphere with a degree of vacuum of 5.0×10 −3 Pa or less, and a vacuum atmosphere with a degree of vacuum of 1.0×10 −3 Pa or more and 5.0×10 −3 Pa. The following vacuum atmosphere is preferred.
 SPS処理における処理温度は、650℃以上であり、700℃以上又は750℃以上であることが好ましく、また、950℃以下又は900℃以下であることが好ましい。処理温度の好ましい範囲は、650℃以上950℃以下、又は、750℃以上900℃以下であればよい。 The treatment temperature in the SPS treatment is 650°C or higher, preferably 700°C or higher or 750°C or higher, and preferably 950°C or lower or 900°C or lower. A preferable range of treatment temperature is 650° C. or higher and 950° C. or lower, or 750° C. or higher and 900° C. or lower.
 処理温度への昇温速度は任意であるが、例えば、50℃/min以上、300℃/min以下であることが挙げられる。 The heating rate to the treatment temperature is arbitrary, but for example, it may be 50°C/min or more and 300°C/min or less.
 上述の処理温度における保持時間は処理に供する原料溶融物の量や、使用するSPS炉の性能により適宜調整すればよいが、例えば、15分以下又は12分以下が挙げられる。
原料溶融物の内部まで均一に加熱するため、該保持時間は1分以上又は5分以上であることが挙げられる。該保持時間は1分以上15分以下、又は、5分以上12分以下であればよい。
The holding time at the above treatment temperature may be appropriately adjusted depending on the amount of the raw material melt to be treated and the performance of the SPS furnace used, and is, for example, 15 minutes or less or 12 minutes or less.
In order to uniformly heat even the inside of the raw material melt, the holding time may be 1 minute or longer, or 5 minutes or longer. The retention time may be from 1 minute to 15 minutes, or from 5 minutes to 12 minutes.
 焼成工程に供する原料溶融物の製造方法は任意であるが、例えば、ゲルマニウム、錫及び鉛の群から選ばれる1以上の元素を含む第14族元素源(以下、単に「第14族元素源」ともいい、第14族元素がゲルマニウム等である場合、それぞれ「ゲルマニウム源」等ともいう。)、銀源、バリウム源、並びにシリコン源を含む組成物を溶融する工程(以下、「溶融工程」ともいう。)、を含む製造方法、が挙げられる。 The raw material melt to be subjected to the firing step may be produced by any method. Also referred to as a "germanium source" when the Group 14 element is germanium or the like), a step of melting a composition containing a silver source, a barium source, and a silicon source (hereinafter also referred to as a "melting step" It is said.), and a manufacturing method including.
 第14族元素源は、ゲルマニウム、錫及び鉛、並びに、これらの化合物の少なくともいずれかであればよい。第14元素源は、第14族元素の純度が3N以上(99.9%以上)又は4N以上(99.99%以上)であることが好ましい。第14族元素の純度の上限は、6N以下(99.9999%以下)又は5N以下(99.999%以下)が挙げられる。好ましい第14元素源として、ゲルマニウム、錫及び鉛の群から選ばれる1以上の元素が挙げられる。また、好ましいゲルマニウム源として金属ゲルマニウム(純ゲルマニウム)が、好ましい錫源として金属錫(純錫)が、及び、好ましい鉛源として金属鉛(純鉛)が、それぞれ、挙げられる。 The Group 14 element source may be at least one of germanium, tin, lead, and compounds thereof. The 14th element source preferably has a Group 14 element purity of 3N or higher (99.9% or higher) or 4N or higher (99.99% or higher). The upper limit of the purity of the Group 14 element is 6N or less (99.9999% or less) or 5N or less (99.999% or less). Preferred fourteenth element sources include one or more elements selected from the group consisting of germanium, tin and lead. A preferred germanium source is metallic germanium (pure germanium), a preferred tin source is metallic tin (pure tin), and a preferred lead source is metallic lead (pure lead).
 銀源は、銀及び銀含有化合物の少なくともいずれかであればよい。銀源は、銀の純度が3N以上又は4N以上であることが好ましい。銀の純度の上限は、6N以下又は5N以下が挙げられる。好ましい銀源として、金属銀(純銀)が挙げられる。 The silver source may be at least one of silver and a silver-containing compound. The silver source preferably has a silver purity of 3N or higher or 4N or higher. The upper limit of purity of silver is 6N or less or 5N or less. Preferred silver sources include metallic silver (pure silver).
 バリウム源は、バリウム及びバリウム含有化合物の少なくともいずれかであればよい。バリウム源は、バリウムの純度が3N以上又は4N以上であることが好ましい。バリウムの純度の上限は、6N以下又は5N以下が挙げられる。好ましいバリウム源として、金属バリウム(純バリウム)が挙げられる。 The barium source may be at least one of barium and barium-containing compounds. The barium source preferably has a barium purity of 3N or higher or 4N or higher. The upper limit of the purity of barium is 6N or less or 5N or less. Preferred barium sources include metallic barium (pure barium).
 シリコン源は、シリコン及びシリコン含有化合物の少なくともいずれかであればよい。シリコン源は、シリコンの純度が3N以上又は4N以上であることが好ましい。シリコンの純度の上限は、6N以下又は5N以下が挙げられる。好ましいシリコン源として、金属シリコン(純シリコン)、更には不定形シリコンが挙げられる。 The silicon source may be at least one of silicon and a silicon-containing compound. The silicon source preferably has a silicon purity of 3N or higher or 4N or higher. The upper limit of the purity of silicon is 6N or less or 5N or less. Preferred silicon sources include metallic silicon (pure silicon) and amorphous silicon.
 第14族元素源等の出発原料の形状は任意であり、例えば、不定形、粉末及び顆粒の群から選ばれる1以上であることが挙げられる。 The shape of the starting material such as the Group 14 element source is arbitrary, and may be, for example, one or more selected from the group of amorphous, powder, and granules.
 溶融工程に供する組成物は、目的とするAg-Ba-Si系合金の第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの原子量比となるように、第14族源等の出発原料を含んでいればよく、必要に応じ、任意の方法で出発原料を混合してもよい。 The composition to be subjected to the melting step contains a starting material such as a Group 14 source so that the atomic weight ratio of the Group 14 element, silver, barium and silicon of the desired Ag-Ba-Si alloy is obtained. Well, if desired, the starting materials may be mixed by any method.
 混合方法は任意であり、湿式混合及び乾式混合の少なくともいずれかが例示できる。 The mixing method is arbitrary, and at least one of wet mixing and dry mixing can be exemplified.
 溶融工程では、該組成物を溶融する。これにより原料溶融物が得られる。溶融方法はアーク溶融法、大気溶融法、高周波溶融法、プラズマ溶融法、スカル溶融法、ゾーンメルティング法、及び、電子ビーム溶融法の群から選ばれる1以上の方法であればよい。短時間で溶融が可能、雰囲気制御が可能、るつぼ(銅の鋳型)からの汚染が少ないため、溶融方法はアーク溶融であることが好ましい。 In the melting step, the composition is melted. A raw material melt is thus obtained. The melting method may be one or more methods selected from the group consisting of arc melting, air melting, high frequency melting, plasma melting, skull melting, zone melting, and electron beam melting. The melting method is preferably arc melting because it can be melted in a short time, the atmosphere can be controlled, and there is little contamination from the crucible (copper mold).
 アーク溶融は、処理に供する組成物の単位質量当たりの電流値(以下、単に「電流値」ともいう。)が30A/g以上又は50A/g以上であることが好ましい。これにより、短時間で溶融処理することができる。アーク溶融中の組成物の組成変動を抑制するため、電流値は150A/g以下又は120A/g以下であることが好ましい。好ましい電流値の範囲は、30A/g以上150A/g以下、又は、50A/g以上120A/g以下が例示できる。 In arc melting, the current value per unit mass of the composition to be processed (hereinafter also simply referred to as "current value") is preferably 30 A/g or more or 50 A/g or more. Thereby, the melting treatment can be performed in a short time. The current value is preferably 150 A/g or less or 120 A/g or less in order to suppress composition fluctuations during arc melting. A preferable current value range is 30 A/g or more and 150 A/g or less, or 50 A/g or more and 120 A/g or less.
 上述の電流値での保持時間は、処理に供する組成物の量や、使用するアーク溶融炉の性能に合わせて適宜調整すればよいが、例えば、0.5分以上又は1分以上であり、かつ5分以下又は3分以下であることが挙げられる。好ましい保持時間は、0.5分以上5分以下、又は、1分以上3分以下が例示できる。 The holding time at the above-mentioned current value may be appropriately adjusted according to the amount of the composition to be treated and the performance of the arc melting furnace to be used. and 5 minutes or less or 3 minutes or less. A preferable retention time is 0.5 minutes or more and 5 minutes or less, or 1 minute or more and 3 minutes or less.
 組成物を効率よく溶融させるため、上述の電流値及び保持時間による処理を複数回施してもよく、該処理を2回以上又は3回以上行ってもよい。該処理は必要以上に行う必要はなく5回以下又は4回以下であればよい。好ましい処理回数は、2回以上5回以下、又は、3回以上4回以下が例示できる。 In order to efficiently melt the composition, the treatment with the above-described current value and holding time may be performed multiple times, and the treatment may be performed two or more times or three times or more. The treatment need not be performed more than necessary, and may be performed 5 times or less or 4 times or less. The preferable number of treatments is 2 to 5 times, or 3 to 4 times.
 アーク溶融後の原料溶融物は任意の方法で降温し、これを回収すればよく、急冷により降温してもよい。急冷は、流動性を有する状態(いわゆる溶融状態)の原料溶融物を瞬間的に凝固させる処理である。これにより、溶融混合物が急冷薄帯として得られる。急冷方法は公知の方法を使用することができ、例えば、冷却速度が1×10K/s以上1×10K/s以下となるような冷却方法が挙げられる。具体的な冷却方法として、流動性を有する状態の原料溶融物と水冷ローラーとを接触させることが例示できる。 The raw material melt after arc melting may be cooled by any method and collected, or may be cooled by quenching. Quenching is a process for instantaneously solidifying a raw material melt in a fluid state (so-called molten state). Thereby, a molten mixture is obtained as a quenched ribbon. A known method can be used for the quenching method, and examples thereof include a cooling method in which the cooling rate is 1×10 5 K/s or more and 1×10 6 K/s or less. As a specific cooling method, it can be exemplified that the raw material melt in a fluid state is brought into contact with a water-cooled roller.
 必要に応じて、原料溶融物は粉砕や造粒をしてもよい。これにより、原料溶融物の形状及びサイズを任意のものにすることができる。 If necessary, the raw material melt may be pulverized or granulated. This allows the raw material melt to be of any shape and size.
 粉砕は、湿式粉砕及び乾式粉砕の少なくともいずれかであればよく、乳鉢粉砕、ボールミル、ジェットミル及びビーズミルの群から選ばれる1以上の粉砕方法が挙げられる。また、造粒はスプレードライ及びガスアトマイズの少なくともいずれかの造粒方法が挙げられる。粉砕及び造粒は酸素(O)の混入が生じない方法で行うことが好ましく、不活性雰囲気での粉砕が好ましい。これにより、溶融物の表面酸化が抑制され、その結果、酸素含有量が増加しにくくなる。 Pulverization may be at least one of wet pulverization and dry pulverization, and includes one or more pulverization methods selected from the group of mortar pulverization, ball mill, jet mill and bead mill. Moreover, granulation includes at least one granulation method of spray drying and gas atomization. Pulverization and granulation are preferably carried out by a method that does not cause contamination of oxygen (O 2 ), and pulverization in an inert atmosphere is preferred. This suppresses the surface oxidation of the melt and, as a result, makes it difficult for the oxygen content to increase.
 本実施形態の製造方法は、Ag-Ba-Si系合金を加工する工程(以下、「加工工程」ともいう。)を含んでいてもよい。加工工程では、熱電変換素子など、Ag-Ba-Si系合金を目的に応じた形状に加工する。加工方法は合金の加工に適用される公知の方法が適用でき、例えば、平面研削法、ロータリー研削法及び円筒研削法の群から選ばれる1以上の研削加工方法が挙げられる。
[熱電変換材料及び熱電変換素子]
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金は、これを含む熱電変換材料として使用することができ、更にはn型の熱電変換材料として使用することが好ましい。さらに、本実施形態のAg-Ba-Si系合金を備えた熱電変換素子として使用することができる。本実施形態において「熱電変換材料」とは、熱エネルギーの電気エネルギーへの直接変換を可能とする材料であり、「熱電変換素子」とはp型の熱電変換材料とn型の熱電変換材料を備え、一方の熱電変換材料に高温の物質を接触させ、なおかつ、他方の熱電変換材料に低温の物質を接触させた場合に起電力が生じる素子である。
The manufacturing method of the present embodiment may include a step of processing the Ag—Ba—Si alloy (hereinafter also referred to as “processing step”). In the processing step, the Ag--Ba--Si alloy is processed into a desired shape such as a thermoelectric conversion element. As a working method, a known method applied to alloy working can be applied, and examples thereof include one or more grinding methods selected from the group of surface grinding, rotary grinding and cylindrical grinding.
[Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element]
The Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment can be used as a thermoelectric conversion material containing it, and is preferably used as an n-type thermoelectric conversion material. Furthermore, it can be used as a thermoelectric conversion element comprising the Ag--Ba--Si alloy of this embodiment. In the present embodiment, the “thermoelectric conversion material” is a material that enables direct conversion of thermal energy into electrical energy, and the “thermoelectric conversion element” is a p-type thermoelectric conversion material and an n-type thermoelectric conversion material. It is an element that generates an electromotive force when one thermoelectric conversion material is brought into contact with a high-temperature substance and the other thermoelectric conversion material is brought into contact with a low-temperature substance.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金を備えた熱電変換素子は、本実施形態のAg-Ba-Si系合金と、これと対になるp型又はn型の熱電変換材料とが接触しないように平行に設置され、それぞれの熱電変換材料を電極で繋いだ構造を有していればよい。 In the thermoelectric conversion element comprising the Ag--Ba--Si-based alloy of the present embodiment, the Ag--Ba--Si-based alloy of the present embodiment and the p-type or n-type thermoelectric conversion material paired therewith do not contact. are installed in parallel, and each thermoelectric conversion material is connected by an electrode.
 本実施形態のAg-Ba-Si系合金を備えた熱電変換素子は、これを集積した熱電変換モジュールとして使用することができる。熱電変換モジュールは、目的に応じて、任意の形式のモジュールであればよく、例えば、一段型熱電変換モジュール、カスケード式モジュール及びセグメント型モジュールの群から選ばれる1以上、更には一段型熱電変換モジュールであることが挙げられる。なお、「熱電変換モジュール」とは、2以上の熱電変換素子を集積したモジュールである。 The thermoelectric conversion element provided with the Ag--Ba--Si alloy of this embodiment can be used as a thermoelectric conversion module in which it is integrated. The thermoelectric conversion module may be any type of module depending on the purpose. For example, one or more selected from the group consisting of a single-stage thermoelectric conversion module, a cascade module, and a segment-type module, and a single-stage thermoelectric conversion module. It is mentioned that it is. A "thermoelectric conversion module" is a module in which two or more thermoelectric conversion elements are integrated.
 以下、本開示を実施例により説明する。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではない。
(平均結晶粒径)
 後方散乱電子回折(EBSD)を備えたショットキー電界放出形走査電子顕微鏡(装置名:JSM-IT800SHL、日本電子社製)を使用し、以下の条件で合金試料内部のSEM観察図を得た。
The present disclosure will now be described with reference to examples. However, the present disclosure is not so limited.
(Average grain size)
Using a Schottky field emission scanning electron microscope (equipment name: JSM-IT800SHL, manufactured by JEOL Ltd.) equipped with backscattered electron diffraction (EBSD), SEM observations of the interior of the alloy samples were obtained under the following conditions.
   加速電圧 : 15kV
   観察倍率 : 300倍又は1000倍
   試料傾斜 : 70°
 得られたSEM観察図において、結晶界面における結晶方位の差が5°以上となる部分を結晶粒界とみなして結晶粒子を確認した。各結晶粒子の最長径を測定し、これを結晶粒径とした。5000±100個の結晶粒径を測定し、その平均をもって平均結晶粒径を求めた。SEM観察に先立ち、合金試料は乾式研磨とアルゴンイオンミリング加工により前処理を行った。
(結晶相)
 一般的な粉末X線回折装置(装置名:RINT UltimaIII、RIGAKU社製)を使用し、合金試料のXRD測定をした。測定条件は以下のとおりである。
Accelerating voltage: 15 kV
Observation magnification: 300x or 1000x Sample tilt: 70°
In the obtained SEM observation diagram, the crystal grains were confirmed by considering the portion where the crystal orientation difference at the crystal interface was 5° or more as the crystal grain boundary. The longest diameter of each crystal grain was measured and defined as the crystal grain size. 5000±100 grain sizes were measured, and the average grain size was obtained. Prior to SEM observation, the alloy samples were pretreated by dry polishing and argon ion milling.
(crystal phase)
A general powder X-ray diffractometer (device name: RINT Ultima III, manufactured by RIGAKU) was used to carry out XRD measurement of the alloy sample. The measurement conditions are as follows.
      加速電流・電圧  : 40mA・40kV
      線源       : CuKα線(λ=1.5405Å)
      測定モード    : 連続スキャン
      スキャン条件   : 5°/分
      測定範囲     : 2θ=20°から50°
      発散縦制限スリット: 10mm
      発散/入射スリット: 1°
      受光スリット   : open
      検出器      : D/teX Ultra
      Niフィルター使用
 得られたX線回折パターンを、X線回折装置付属の解析プログラム(ソフト名:PDLX2、RIGAKU製)を使用し、X線回折パターンを平滑化処理及びバックグラウンド除去し、これらの処理後のX線回折パターンを、分割擬Voigt関数によりプロファイルフィッティングした。該フィッティング後のX線回折パターンと、PDFカード(01-086-0810)のX線回折パターンとを対比することにより、合金試料の結晶相の同定を行った。
(組成)
 一般的なICP-MS装置(装置名:Vista-PRO、セイコーインストゥルメンツ製)を使用し、ICP-MS質量分析法により試料の組成を測定した。前処理として、合金試料をフッ酸及び硫酸で溶解し、得られた酸溶液を測定に供した。
(相対密度)
 理論密度[g/cm]に対する実測密度[g/cm]の割合[%]から、合金試料の理論密度を求めた。理論密度は、上述の方法で測定された組成を使用し、上述の(1)式から求めた。実測密度はJIS R 1634に準じた方法で測定された嵩密度の値を使用した。なお、実測密度に先立ち、合金試料は溶媒にケロシンを使用した真空法で前処理を行った。
(電気抵抗)
 比抵抗/ホール測定システム(装置名:ResiTest8400、東陽テクニカ製)を使用し、以下の条件で電気抵抗を測定した。
Accelerating current/voltage: 40mA/40kV
Radiation source: CuKα ray (λ = 1.5405 Å)
Measurement mode: Continuous scan Scan conditions: 5°/min Measurement range: 2θ = 20° to 50°
Divergence longitudinal limiting slit: 10mm
Divergence/Entrance Slit: 1°
Light receiving slit: open
Detector: D/teX Ultra
Use of Ni filter The obtained X-ray diffraction pattern is subjected to smoothing processing and background removal of the X-ray diffraction pattern using the analysis program attached to the X-ray diffraction device (software name: PDLX2, manufactured by RIGAKU). The later X-ray diffraction patterns were profile-fitted with a split pseudo-Voigt function. The crystal phase of the alloy sample was identified by comparing the X-ray diffraction pattern after the fitting with the X-ray diffraction pattern of the PDF card (01-086-0810).
(composition)
Using a general ICP-MS device (device name: Vista-PRO, manufactured by Seiko Instruments), the composition of the sample was measured by ICP-MS mass spectrometry. As a pretreatment, the alloy sample was dissolved with hydrofluoric acid and sulfuric acid, and the resulting acid solution was subjected to measurement.
(relative density)
The theoretical density of the alloy sample was obtained from the ratio [%] of the actually measured density [g/cm 3 ] to the theoretical density [g/cm 3 ]. The theoretical density was obtained from the above equation (1) using the composition measured by the method described above. The value of bulk density measured by a method according to JIS R 1634 was used as the actual density. Prior to measuring the density, the alloy sample was pretreated by a vacuum method using kerosene as a solvent.
(Electrical resistance)
Using a specific resistance/Hall measurement system (apparatus name: ResiTest8400, manufactured by Toyo Technica), electrical resistance was measured under the following conditions.
  サンプル形状 :直径10mm×厚み1mmの円板状
  電極     :白金電極
  測定雰囲気  :真空雰囲気
  測定温度   :50℃
(ゼーベック係数)
 ゼーベック係数測定オプションを備えた比抵抗/ホール測定システム(装置名:ResiTest8400、東陽テクニカ製)を使用して、以下の条件でゼーベック係数を測定した。
Sample shape: 10 mm diameter x 1 mm thick disc Electrode: Platinum electrode Measurement atmosphere: Vacuum atmosphere Measurement temperature: 50°C
(Seebeck coefficient)
The Seebeck coefficient was measured under the following conditions using a resistivity/Hall measurement system (device name: ResiTest8400, manufactured by Toyo Technica) equipped with a Seebeck coefficient measurement option.
  サンプル形状 :直径10mm×厚み1mmの円板状
  測定雰囲気  :真空雰囲気
  測定温度   :50℃
(熱伝導率)
 レーザーフラッシュ法熱伝導測定装置(装置名:TC-1200RH、アドバンス理工製)を使用し、以下の条件で熱伝導率を測定した。
Sample shape: Disk shape with a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm Measurement atmosphere: Vacuum atmosphere Measurement temperature: 50°C
(Thermal conductivity)
Using a laser flash thermal conductivity measuring device (Device name: TC-1200RH, manufactured by Advance Riko), thermal conductivity was measured under the following conditions.
  サンプル形状 :直径10mm×厚み1mmの円板状
  測定雰囲気  :真空雰囲気
  測定温度   :50℃
(ビッカース硬度試験、破壊靭性)
 硬度試験機(装置名:HV-115、ミツトヨ製)を用いて、1kgfの力で合金材料に角錐形圧子を押し付け、形成された圧痕を顕微鏡により観察し、顕微鏡で見た圧痕における対角線の水平距離から圧痕の表面積を算出して、ビッカース硬度を計算した。さらに、圧痕の頂点部分に形成された亀裂の長さを測定し、以下の式を用いて破壊靭性Kcを算出した。
Sample shape: Disk shape with a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm Measurement atmosphere: Vacuum atmosphere Measurement temperature: 50°C
(Vickers hardness test, fracture toughness)
Using a hardness tester (equipment name: HV-115, manufactured by Mitutoyo), a pyramidal indenter is pressed against the alloy material with a force of 1 kgf, and the formed indentation is observed with a microscope. The Vickers hardness was calculated by calculating the surface area of the indentation from the distance. Furthermore, the length of the crack formed at the apex portion of the indentation was measured, and the fracture toughness Kc was calculated using the following formula.
     Kc=0.026×E1/2×P1/2×C-3/2×a
     E:弾性率(JIS R1602に記載の方法で測定)
     P:押込み加重=1kgf
     C:圧痕の対角線長さの半分
     a:き裂の長さの半分
 実施例1
 以下の組成となるように、金属シリコン(不定形シリコン;純度5N、平均サイズ2~5mm、製品名:SIE01GB、高純度化学社製)、金属銀(純銀;純度3N、平均顆粒径1~3mm、製品名:AGE01GB、高純度化学社製)、金属バリウム(バリウム;純度3N、平均サイズ10mm、フルウチ化学社製)、及び、金属錫(錫顆粒;純度4N、平均顆粒径2~3mm、製品名:SNE01GB、高純度化学社製)を原子量比でAg:Ba:Si:Sn=1:2:2.9:0.1となるように秤量した。秤量した原料を水冷鋳型に充填した後、アーク溶融炉(装置名:ACM-S01、大亜真空製)を使用し、以下の条件でアーク溶融して原料溶融物を得た。
Kc=0.026×E 1/2 ×P 1/2 ×C −3/2 ×a
E: elastic modulus (measured by the method described in JIS R1602)
P: Pressing load = 1 kgf
C: half the diagonal length of the indentation a: half the length of the crack Example 1
Metallic silicon (amorphous silicon; purity 5N, average size 2 to 5mm, product name: SIE01GB, manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.), metallic silver (pure silver; purity 3N, average granule diameter 1 to 3mm) so as to have the following composition , Product name: AGE01GB, manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.), metallic barium (barium; purity 3N, average size 10 mm, manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), and metallic tin (tin granules; purity 4N, average granule diameter 2 to 3 mm, product Name: SNE01GB, manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.) were weighed so that the atomic weight ratio was Ag:Ba:Si:Sn=1:2:2.9:0.1. After filling the weighed raw material into a water-cooled mold, an arc melting furnace (apparatus name: ACM-S01, manufactured by Daia Vacuum) was used to arc melt under the following conditions to obtain a raw material melt.
    アーク溶融時間:2分間×4回
    出力     :100A/g
 得られた原料溶融物を瑪瑙乳鉢に移し、乳鉢を用いてこれを乾式粉砕後、目開き150μmの篩を通過させ、粒径150μm未満の粉末状にした。粉砕後の原料溶融物1.00gを直径10mmの円形カーボン型に充填し、放電プラズマ焼成炉(製品名:LABOX-315R-AH、シンターランド製)を使用し、以下の条件でSPS処理して合金を得、これを本実施形態のAg-Ba-Si系合金とした。放電プラズマ焼成における温度放射温度計(製品名:IR-AHS、株式会社チノー製)を使用して測定した。
Arc melting time: 2 minutes x 4 times Output: 100 A/g
The raw material melt thus obtained was transferred to an agate mortar, and after dry pulverization using the mortar, it was passed through a sieve with an opening of 150 μm to obtain a powder having a particle size of less than 150 μm. Fill 1.00 g of the raw material melt after pulverization into a circular carbon mold with a diameter of 10 mm, use a discharge plasma firing furnace (product name: LABOX-315R-AH, manufactured by Sinterland), and perform SPS treatment under the following conditions. An alloy was obtained and used as the Ag--Ba--Si alloy of the present embodiment. It was measured using a temperature radiation thermometer (product name: IR-AHS, manufactured by Chino Co., Ltd.) in discharge plasma firing.
   昇温速度 :150℃/min(~600℃)
         100℃/min(600℃~保持温度)
   真空度  :5.0×10-3Pa
   保持温度 :800℃
   保持時間 :10分
   保持圧力 :75MPa
 得られたAg-Ba-Si系合金は、平均結晶粒径が11μmであり、相対密度が99.4%であった。
Heating rate: 150°C/min (~600°C)
100°C/min (600°C to holding temperature)
Degree of vacuum: 5.0×10 −3 Pa
Holding temperature: 800°C
Holding time: 10 minutes Holding pressure: 75 MPa
The resulting Ag--Ba--Si alloy had an average grain size of 11 μm and a relative density of 99.4%.
 実施例2乃至7
 表1に示す組成となるように金属シリコン、金属銀、金属バリウム及び金属錫を秤量及び混合して組成物を得たこと以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ、合金を得、これを各実施例のAg-Ba-Si系合金とした。
Examples 2-7
Alloys were obtained in the same manner as in Example 1 except that the compositions were obtained by weighing and mixing metallic silicon, metallic silver, metallic barium and metallic tin so as to have the compositions shown in Table 1. was used as the Ag--Ba--Si alloy of each example.
 実施例8
 金属錫の代わりに金属ゲルマニウム(純ゲルマニウム;純度4N、製品名:GE001、高純度化学製)を使用したこと、及び、それぞれ、表1に示す組成となるように金属シリコン、金属銀、金属バリウム及び金属ゲルマニウムを秤量及び混合して組成物を得たこと以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ、合金を得、これを、各実施例のAg-Ba-Si系合金とした。
Example 8
The use of metallic germanium (pure germanium; purity 4N, product name: GE001, manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.) instead of metallic tin, and metallic silicon, metallic silver, and metallic barium so as to have the compositions shown in Table 1, respectively. and metal germanium were weighed and mixed to obtain a composition, respectively, in the same manner as in Example 1 to obtain alloys, which were used as Ag--Ba--Si alloys of each example.
 比較例1乃至5
 表2に示す組成となるように金属シリコン、金属銀及び金属錫を秤量及び混合して組成物を得たこと以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ、合金を得、これを各比較例のシリコン系合金とした。
Comparative Examples 1 to 5
Alloys were obtained in the same manner as in Example 1 except that the compositions were obtained by weighing and mixing metallic silicon, metallic silver and metallic tin so as to have the compositions shown in Table 2, and these were compared with each other. The silicon-based alloy of Example was used.
 比較例6
 表2に示す組成となるように金属シリコン、金属銀、金属バリウム及び金属錫を秤量及び混合して組成物を得たこと以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ、合金を得、これを各比較例のシリコン系合金とした。
Comparative example 6
Alloys were obtained in the same manner as in Example 1 except that the compositions were obtained by weighing and mixing metallic silicon, metallic silver, metallic barium and metallic tin so as to have the compositions shown in Table 2. was used as the silicon-based alloy of each comparative example.
 比較例7
 表2に示す組成となるように不定形シリコン、銀顆粒、バリウム、及び、ゲルマニウム粉末を秤量及び混合して組成物を得たこと以外は実施例1と同様の方法で、それぞれ、合金を得、これを各比較例のシリコン系合金とした。
Comparative example 7
Alloys were obtained in the same manner as in Example 1, except that the amorphous silicon, silver granules, barium, and germanium powders were weighed and mixed to obtain the compositions shown in Table 2. , which were used as silicon-based alloys of respective comparative examples.
 実施例及び比較例の結果を表1に示した。 The results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

 表中「-」は未測定を意味する。実施例のAg-Ba-Si系合金は、いずれも相対密度が97%を超え、なおかつ、ゼーベック係数の絶対値が140μV/K超であり、密度及びゼーベック係数を兼備することが確認できた。熱電変換性能(ZT)は、いずれの実施例も0.05以上であり、比較例の熱電変換性能よりも高いことが確認できる。特に、比較例3のシリコン系合金は電気抵抗が高いため、ゼーベック係数が高いにも関わらず、熱電変換性能が著しく低くなることが確認できた。

"-" in the table means unmeasured. All of the Ag--Ba--Si alloys of the examples had a relative density exceeding 97% and an absolute value of the Seebeck coefficient exceeding 140 μV/K. The thermoelectric conversion performance (ZT) of any example is 0.05 or more, which can be confirmed to be higher than the thermoelectric conversion performance of the comparative example. In particular, since the silicon-based alloy of Comparative Example 3 has a high electric resistance, it was confirmed that the thermoelectric conversion performance was remarkably lowered, although the Seebeck coefficient was high.
 測定例(機械強度の測定)
 実施例1、2、4、及び8,並びに、比較例5で得られたシリコン系合金のビッカース硬度試験を実施し、破壊靭性を計算した。結果を下表に示す。
Measurement example (measurement of mechanical strength)
A Vickers hardness test was performed on the silicon-based alloys obtained in Examples 1, 2, 4, and 8 and Comparative Example 5, and the fracture toughness was calculated. The results are shown in the table below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

 実施例のいずれのビッカース硬度も250HV以上であり、ビスマス-テルル合金より高い強度であることが確認できた。また、破壊靭性は1.1MPa・m1/2以上であり、比較例よりも機械強度が高いことが確認できる。

All of the examples had a Vickers hardness of 250 HV or more, and it was confirmed that the strength was higher than that of the bismuth-tellurium alloy. Moreover, the fracture toughness is 1.1 MPa·m 1/2 or more, and it can be confirmed that the mechanical strength is higher than that of the comparative example.
 なお、本出願は、2022年02月24日出願の日本国特許出願(特願2022-027208)及び2022年05月19日出願の日本国特許出願(特願2022-082511)に基づいており、その全体が引用により援用される。また、ここに引用されるすべての参照は全体として取り込まれる。 This application is based on the Japanese patent application (Japanese Patent Application No. 2022-027208) filed on February 24, 2022 and the Japanese patent application (Japanese Patent Application No. 2022-082511) filed on May 19, 2022, incorporated by reference in its entirety. Also, all references cited herein are incorporated in their entirety.

Claims (6)

  1.  ゲルマニウム、錫及び鉛から選ばれる少なくとも1種の第14族元素を含み、なおかつ、該第14族元素の含有量が9at%未満である、銀-バリウム-シリコン系のシリコン合金。 A silver-barium-silicon-based silicon alloy containing at least one Group 14 element selected from germanium, tin and lead, and containing less than 9 at% of the Group 14 element.
  2.  前記シリコン合金に含まれる前記第14族元素、銀、バリウム及びシリコンの合計原子量を100at%とした場合に、第14族元素の原子割合が1at%以上9at%未満、銀の原子割合が9at%以上27at%以下、バリウムの原子割合が20at%以上53at%以下、及び、シリコンの原子割合が29at%以上64at%以下である、請求項1に記載のシリコン合金。 When the total atomic weight of the Group 14 element, silver, barium and silicon contained in the silicon alloy is 100 at%, the atomic ratio of the Group 14 element is 1 at% or more and less than 9 at%, and the atomic ratio of silver is 9 at%. 27 at % or more, the atomic proportion of barium is 20 at % or more and 53 at % or less, and the atomic proportion of silicon is 29 at % or more and 64 at % or less.
  3.  相対密度が97%以上である請求項1又は2に記載のシリコン合金。 The silicon alloy according to claim 1 or 2, which has a relative density of 97% or more.
  4.  前記第14族元素がゲルマニウム及び錫の少なくともいずれかである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシリコン合金。 The silicon alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the Group 14 element is at least one of germanium and tin.
  5.  請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシリコン合金を含む熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element containing the silicon alloy according to any one of claims 1 to 4.
  6.  請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシリコン合金を含む熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module containing the silicon alloy according to any one of claims 1 to 4.
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