低温で高い性能を示す熱電変換材料の発見 ―超伝導素子・線材などの局所冷却に道を拓く―

低温 高い性能を示す熱電変換材料 発見

―超伝導素子 線材 局所冷却 道を拓く―

名古屋大学大学院工学研究科 研究科長：新美 智秀 岡本 佳比古

ひ 准教授 井 原 拓実 い く 大学院博士前期課程学生

現：日東電工株式会社 竹中 康司 う 教授 山影 相 や

あい 特任助教 現：大学院理学研究科助教 名古屋大学大学院理学研究

科 山川 洋一 や わ うい 助教 研究 室温以 幅広

い温度域 熱 電気 変え 性能 現 実用さ い 材料 格段 優

新 い熱電変換材料

1)

発見

熱電冷却 冷却 物質中 電子 電気 く熱 運ぶ

利用 冷却 あ ン類 う 冷媒ガ 使用 い全固体 冷却技術

幅広い応用 期待さ い 100℃以 温度域

高い性能 示 材料 得 系 材料 利用 赤外線 ン

冷却 室温付近 限 実用 留 い

岡本准教授 ン 素 含 化物 化学組 適 制

御 室温 230℃ 幅広い温度域 優 性能 示

発見 冷却能力 目安 出力因子

2)

比 本材料

200℃ 値 系実用材料 室温 値 約 2 倍 発見

困難 あ 温 熱電冷却 可能 点 画期的 あ 大掛

装置 温 冷や 使 い バ や材料 冷媒 使わ 局所的 冷却

動作さ 可能性 拓 本材料 室温付近 い 高い性能

示 人体 体温 外気温 温度差 々 身 回 あ わ 温度

差 利用 環境発電 応用 期待さ

研究 果 29 5 1 日 米国東部時間 米国科学誌 Applied

Physics Letters ッ 電子版 掲載さ

研究 名古屋大学研究強化促進 業 若手新 創 研究 ッ

活動 あ 日本学術振興会 科学研究費補助金 公

益 団法人中部電気利用基礎研究振興 団 研究助 公益 団法人池谷科学

技術振興 団 単 度研究助 公益 団法人旭硝子 団 研究奨励 支援

実施さ

ポイン

〇 室温 ら_230°C 至 幅広い温度域 け 優 た熱電性能

〇 現在実用さ い 熱電変換材料¹⁾ 比べ 数倍の出力因子²⁾

〇 従来材料 異 物質群 あ 、一次元的 ディラック電子系³⁾ け 新しい材料の発見

→ ^{こ ま 不可能 あった低温域 け 局所冷却の実用 道を拓く}

研究背景 内容

現 冷蔵庫や コン 幅広く使わ い ン類 冷媒ガ 用い 気体 縮冷 却 代わ 次世代 冷却技術 熱電冷却 冷却 期待さ い 熱電 冷却 物質中 電子 電気 く熱 運ぶ 利用 冷却 冷却性能 損 う

く素子 型化 冷や い 冷や 効率 い局所冷却 可能

あ 電子 バ 局所冷却 幅広い応用 期待さ い 現 室温付近 動作

系 実用材料 用い 素子 赤外線 ン 冷却や オ

温度制御 用い い

100 ^{°C以 実用 達 材料 現 得 い 温 例え 液} 体窒素 沸点 あ 約_{200 °C} い 熱電冷却 実用 子コン や超伝

利用さ 超伝 素子や線材 冷媒ガ 使わ 局所的 冷却 動作さ

超伝 幅広い実用 足枷 い 冷却コ 大幅 減 繋 実用 熱電冷却 得 系 実用材料 超え 大 熱起電力⁴⁾

い電気抵抗率 物質 い 実現 必要 々 ン コン 含

化物_Ta4SiTe4 針状試料 _{1 100 °C 200 °C} い _{2 m cm} い電気抵抗 率 示 系実用材料 _{±240 V K}1 超え _{400 V K}1 巨大 熱起 電力⁴⁾ 示 発見 ₂ そ 結果 冷却能力 目安 出力因子²⁾ _{80 W cm}1

K^{2 室温 系実用材料 約}35 _{W cm}^1 K^{2 約}2^{倍 大 値}

Ta4SiTe4 ^針状試料 Mo^やSb ^{添加 精密 化学組 制御 大 出力因}

子 示 温度 _{230 °C} 室温 至 広い範 変化さ ₂ 出力 因子 室温付近 い 最大_{170 W cm K}2 いう 系実用材料 ₄倍 超え 非常 大

値 結果 本材料 用い 素子 室温付近 発電応用 献

示 い 例え 人体 体温 外気温 温度差 々 身 回 わ 温度差 利用 環境発電 応用 期待さ

本材料 現 優 性能 _1(a) 示 特徴的 結晶構造 由来 一次元性 強い電子 状態 ッ 電子系³⁾ あ 非常 さいバン ャッ 一 物質 共存

い 起因 い ッ 電子系 物質 性質 電子状態

う 影響 え い いう基礎物理 観点 近 特 注目さ い 世界中 集中的 研究さ 新 い物質 毎日 う 見出さ い 一次元 ッ 電子系 注目

Ta4SiTe4 ^{続く新材料 発見 期待さ}

図

成果 意義

局所冷却 温 動作 バ 材料 冷却コ 減

今回発見 新材料 実用 達 材料 存 い_{100 °C} 以 優 冷却性

能 示 本材料 用い 素子 用い 可能 あ 温域

局所冷却 可能 期待さ 現 超伝 用い バ や線材 く 高感度 ン 電子顕微鏡 増幅器 い 様々 電子 バ 液体窒素

液体 寒剤や冷媒ガ 用い 気体 縮冷却 _{100 °C} 回 温度 冷却さ 使わ い 液体やガ 使用 装置 う 大掛

必要 部 局所的 冷却 困難 冷却装置 必 存 駆動部

原因 そ 対 熱電冷却 用い 冷却素子 型化 必

要 部 局所的 冷却 原因 駆動部 あ 超伝 素子

線材や 記 電子 バ 熱電冷却 使用温度 冷却 冷却コ 削減

型化 減 高性能化 繋 期待さ

(c)

10 µm (a)

b a c

Ta

Te Si

5 mm (b)

0.1 1 10 100 1000

電気抵抗率 (m cm)

-200 -100 0

温度 ^(°C) Ta₄SiTe₄

200

100

-2-1 出力因子 (µW cmK) 0

200 100

0 絶対温度 ^(K)

300 無置換

Mo0.1% Mo0.2% Mo1%

Sb5% -600

-500 -400 -300 -200 -100 0

熱起電力 (µV K-1 )

図1. 新材料Ta₄SiTe₄ (a)結晶構造，(b)合成 した針状試料，(c)針状試料 電子顕微鏡像．

図2. 新材料Ta₄SiTe₄ 熱電特性．上から順 ， 電気抵抗率，熱起電力，出力因子．元素 添加を 行っ い い無置換試料 ，Moまた Sb添加試料

タを記載した．

々 身 回 微 温度差 利用 環境発電 実用化 献

今回発見 新材料 温 く室温付近 い 系 実用材料 超え 高い性能 示 結果 本材料 温度差 発電 熱電発電素子 材料

望 あ 意味 熱電発電素子 変換効率 損 う く

型化可能 駆動部 い電子 バ あ ン ン あ い 特長 生 々 身 回 あ 微 温度差 利用 環境発電 応用 期待さ い そ 実用化 室温付近 い 系 実用材料 優 性能 示 材料

開発 必要 あ 本材料 そ 力 候補

名古屋大学 本 果 特許出願 技術移転 組 始 い

用語説明 1) ^{熱電変換材料}

火力や原子力 得 熱 動力 変え 発電機 回 発電 異 熱電変換 電子 電気 く熱 運ぶ性質 利用 直接熱 電気 変換 そう 機能

材料 熱電変換材料 呼ぶ 廃熱 使 排出物 発電

効率利用や環境保全 観点 現 世界中 活発 材料開発競争 繰 広 い

熱 電気 得 く 逆 電気 使 冷却 冷

却

2) ^出力因子

物質 熱起電力 ⁴⁾ 乗 電気抵抗率 割 定義さ 熱電冷却 発電 性能 目 安 指数 一 室温付近 使用さ 系 実用材料 値 約_{35 W cm}^1 _K^2 3) ^{ッ 電子系}

あ 質 い粒子 う 振 舞い 物質中 高速 移動 ッ 電子

物質 代表例 黒鉛 形 炭素 一枚 出 ン あ

4) ^熱起電力

物質 両端 温度差 生 電 差 正 熱起電力 示 材料 熱起電力 示 材料 組 合わ 熱電冷却 発電素子 形 さ 系 実用材

料 熱起電力 室温付近 い _{±240 V K}^1程度 あ 大 熱起電力 示

高い熱電冷却 発電性能 達 要 条件 一 あ

論文名

掲載誌: Applied Physics Letters

論文名: Large Thermoelectric Power Factor at Low Temperatures in One-Dimensional Telluride Ta4SiTe4

DOI: 10.1063/1.4982623