大型放射光施設 SPring-8

公開日

2004年06月28日

平成16年6月28日
カリフォルニア工科大学
名古屋大学
オーフス大学
(財)高輝度光科学研究センター

エネルギー利用の省力化、効率化が求められる今日において、廃熱から電気を得ることができる熱電変換材料は、エネルギー問題の解決法の一つとして注目されており、既に外部からエネルギーを得ることが困難な人工衛星の動力源、人体の温度を利用した腕時計などに熱電変換材料の利用が始められている。熱電変換材料の特性は、zT=ασT/κ（ここで、Tは温度、αはゼーベック係数²⁾、σは電気伝導度、κは熱伝導度）で示される性能指数zT³⁾の大きさによって決定されるが、性能の高い熱電変換材料には、高い電気伝導度と低い熱伝導度が要求されることになる。一般に、結晶性の材料は、ガラスなどの非結晶質の材料と比較して、電気伝導度、熱伝導度が共に高いため、性能の高い熱電材料の開発においては、結晶のような高い電気伝導度とガラスのような低い熱伝導を併せ持つ物質の探索が進められて来ている。
　1997年にZn4Sb3が、150℃から400℃の領域で、熱電変換材料として高い熱電性能指数zTを持つことが報告された。この物質の400℃における熱電性能指数zTは、既に実用化されている物質の中で最も高い性能指数を示す物質(AgSbTe)0.15(GeTe)0.85（TAGS）よりも高い値であり、この高い性能指数は、他の熱電変換材料と比較して著しく低いZn4Sb3の熱伝導度に起因していた (図１)ことから、高性能熱電変換材料の開発の指針として、Zn4Sb3の持つ低い熱伝導度の原因の解明が望まれていた。
　今回、Zn4Sb3のX線回折データを、大型放射光施設SPring-8の粉末結晶構造解析ビームライン（BL02B2）とオーフス大学のX線装置の両方で測定し、測定したデータを名大グループの情報理論に基づく新しい方法で解析したところ、Zn原子のうち90%は結晶のように規則正しく存在しているが（図2）、残りの約10%についてはガラスの様に無秩序に存在していることが発見された(図3)。また、解析された結果から、Zn4Sb3の熱伝導度は、10％の無秩序なZn原子の存在により引き下げられていることも明らかになった。
　本研究によって、ガラスと結晶の両方の特性を持つ、全く新しいタイプの熱電変換材料の構造が発見された。この成果に基づき、カリフォルニア工科大学とオーフス大学ではZn4Sb3をベースとした新しい熱電変換材料の開発が進められており、今後この新しいタイプの構造に基づく、新たな高性能熱電材料が開発され、廃熱を利用したエネルギーの生成が更に進められることが期待される。

<参考資料>

<用語解説>

1）フォノン：
　格子振動のエネルギーを量子化したもの。電磁波のフォトンとの類似からフォノンと呼ばれている。

2）ゼーベック係数：
　1821年にドイツのゼーベックによって、金属の両端に温度差を与えると電流が流れることが発見された。これをゼーベック効果という。ゼーベック効果により流れる電流の量VSと温度差ΔTの比VS/ΔTをゼーベック係数と呼ぶ。

3）性能指数zT：
　熱電変換材料の性能を示す。単位は無次元で大きなものほど性能が高い。実用化されている熱電変換材料はzTが1前後の値をとる。TAGSは400℃で約1.2であるのに対し、Zn4Sb3の性能指数は400℃で約1.3。