高性能かつ高効率な熱電気変換材料の開発
研究代表者 理 学部 石 川 義和
希土類金属 を含む強相 関電子系物質は、 フェル ミ面近傍 に状態密度 の高い状態が形成 され ることが一つの大 きな特徴 である。 この ことによ り新 しい異常物性 が発現 し、熱電気現象 に 関 しては、熱起電力が異常 に大 きい ことが注 目されてい る。
高効率な熱電気変換材料 は、熱起電力が大 きいだけで無 く、電気伝導率が大 きく、かつ熱伝 導率が小 さなことが条件である。従来の熱電気変換材料は電気伝導率の小 さな半導体 を中心に 研究 されてきたのに対 し、強相関電子系物質は金属であることか ら電気伝導率が大きく高効率
な熱電気変換材料の開発が期待できる。
我 々は、種 々の強相 関電子系物質の中で巨大熱起電力 を有す る物質の探索 を行 い、新奇 な 省エネル ギーデバイスの開発 を行 う。
V B L の実験装置 (極限環境先端材料評価 システム,略称PPMS)を 使用 して典型 的磁性金属で あるN i の電気抵抗 、熱電能、熱伝導度 の 2 K か ら室温までの温度依存性 を測定 し、これ よ りP o w e r f a c t o r 、F i g u r e o f m e r i t を導 出す ることが出来た。実験装置 自身の高真空制御 、温度 測定、また、試料形状 の成形等の問題 点が明 らかになつたが、今後、大学院学生の積極的な 参加 によ り改善 され る と期待 され る。
われわれ の期待す る試料候補 は希 土類金属 を含む強相 関電子系物質である。CeNi2A13とY b A l 3 の2 つ の試料 を候補 として作製 し、V B L の実験装置 ( 高出力 ・高分解能X線回折システム)を 使用 して試料の同定を行い、2 K か ら室温までの電気抵抗 、熱電能等の基礎デー タを得た。熱 伝導度が未測定のためF i g u r e o f m e r i t の値 が得 られ ていないが出来 るだ け早 く測定す る予 定である。
実験 と平行 して、上の 2 つ の強相 関電子系物質 をテス ト物質 としてデバイ スを試作 した。
n 型 素子 と p型 素子 として利用可能か どうか調査 し、実際 に通電す ることによ り、発熱お よ び吸熱 を観測できた。 しか し、回路系のジュール熱 (電流 の 2乗 に比例)の 発生が熱 ・電気 変換効果 ( 電流 の 1 乗 に比例) と 同程度であ り、回路系のジュール熱 を抑 えることが実用化 のために必要である。
われ われの得意分野は、強相 関電子系物質 の研 究 と熱電能測定の研究であ り、熱電気変換 材料 の開発 とそれ を用いたデバイスの試作の研 究は始 まったばか りである。解決すべ き課題
はまだまだ多 く存在 してい る。
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