[go: up one dir, main page]

JP2011243824A - Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same - Google Patents

Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same Download PDF

Info

Publication number
JP2011243824A
JP2011243824A JP2010115988A JP2010115988A JP2011243824A JP 2011243824 A JP2011243824 A JP 2011243824A JP 2010115988 A JP2010115988 A JP 2010115988A JP 2010115988 A JP2010115988 A JP 2010115988A JP 2011243824 A JP2011243824 A JP 2011243824A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
thermoelectric material
axis direction
radiation detector
disposed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010115988A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Sakai
章裕 酒井
Tsutomu Sugano
勉 菅野
Kohei Takahashi
宏平 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2010115988A priority Critical patent/JP2011243824A/en
Publication of JP2011243824A publication Critical patent/JP2011243824A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an anisotropic thermoelectric material which has anisotropy of a large Seebeck coefficient and can obtain large crystals along a surface having the anisotropy so as to realize high radiation detectability and high electromotive voltage in electric power generation.SOLUTION: The anisotropic thermoelectric material is expressed by a chemical formula SrLaNbO, has a layered perovskite type crystal structure of which block layers formed of octahedrons of NbOof four layers are periodically stacked in a c axial direction, and has an absolute value of the difference between a Seebeck coefficient in an a axial direction and a Seebeck coefficient in a direction perpendicular to an a axis of 100 μV/K or more. Thereby the anisotropic thermoelectric material can realize the high radiation detectability and high electromotive voltage in the electric power generation.

Description

本発明は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料と、放射検出および発電を行う熱電変換技術に関する。   The present invention relates to a material that converts thermal energy into electrical energy, and a thermoelectric conversion technology that performs radiation detection and power generation.

熱電材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電圧が発生する。この効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果として知られ、発生する起電圧Vは、温度差ΔTと材料固有のゼーベック係数Sによって、V=S(-ΔT)で表される。熱電材料の性能はゼーベック係数の他に電気抵抗率ρと熱伝導率κによって評価される。これらを総合して熱電材料の良否が決定され、電力を取り出すことが可能となる。その際の変換効率はZTという指標で表される。   When a temperature difference occurs between both ends of the thermoelectric material, an electromotive voltage is generated in proportion to the temperature difference. This effect is known as the Seebeck effect for converting thermal energy into electrical energy, and the generated electromotive voltage V is expressed by V = S (−ΔT) by the temperature difference ΔT and the material-specific Seebeck coefficient S. The performance of the thermoelectric material is evaluated by the electrical resistivity ρ and the thermal conductivity κ in addition to the Seebeck coefficient. By combining these, the quality of the thermoelectric material is determined, and the electric power can be taken out. The conversion efficiency at that time is represented by an index called ZT.

上記の通り、一般的には等方的な物性を示す熱電材料において、ゼーベック効果によって発生する起電圧は、その材料に印加された温度差と同じ方向にのみ現れる。その一方で、電気輸送特性に異方性を示す熱電材料においては、図1のように、結晶軸abcが空間軸xyzに対して傾斜した系を定義すると、与えられた温度差とは直交する方向に、その温度差が寄与する起電圧の発生が観測される。すなわち、図1のような系では、次の式(2)に示すように、z軸方向に温度差ΔTzを与えると、x軸方向に起電圧Vxが発生する。 As described above, in thermoelectric materials that generally exhibit isotropic physical properties, an electromotive voltage generated by the Seebeck effect appears only in the same direction as the temperature difference applied to the material. On the other hand, in a thermoelectric material exhibiting anisotropy in electrotransport properties, as shown in FIG. 1, when a system in which the crystal axis abc is tilted with respect to the space axis xyz is defined, the given temperature difference is orthogonal In the direction, generation of an electromotive voltage due to the temperature difference is observed. That is, in the system as shown in FIG. 1, when a temperature difference ΔT z is given in the z- axis direction, an electromotive voltage V x is generated in the x-axis direction as shown in the following equation (2).

ただし、lは試料の幅、dは試料の厚さ、αは試料表面に対するab面の傾斜角、ΔSはc軸方向のSとab面内方向のSとの差(異方性)を表す。このように、異方性のある熱電材料の傾斜配置において、熱流と異なる方向に起電圧が発生する効果を異方熱電効果、あるいは非対角熱電効果と呼ぶ。異方熱電効果によって発生する起電圧は、式(2)より、ゼーベック係数の異方性ΔS、試料のアスペクト比l/d、および積層傾斜角の2倍の正弦値sin2αに比例する。   Where l is the width of the sample, d is the thickness of the sample, α is the inclination angle of the ab plane relative to the sample surface, ΔS is the difference (anisotropy) between S in the c-axis direction and S in the ab plane direction . As described above, the effect of generating an electromotive force in a direction different from the heat flow in the inclined arrangement of the anisotropic thermoelectric material is called an anisotropic thermoelectric effect or non-diagonal thermoelectric effect. The electromotive voltage generated by the anisotropic thermoelectric effect is proportional to the anisotropy ΔS of the Seebeck coefficient, the sample aspect ratio l / d, and the sine value sin2α that is twice the stacking inclination angle from the equation (2).

この異方熱電効果を利用して、YBa2Cu3O7-δ(YBCO)の傾斜積層薄膜からなる放射検出器[特許文献1]およびCaxCoO2の傾斜積層薄膜からなる放射検出器[非特許文献1]がこれまでに開示されている。 Utilizing this anisotropic thermoelectric effect, a radiation detector consisting of a YBa 2 Cu 3 O 7-δ (YBCO) graded thin film [Patent Document 1] and a radiation detector consisting of a Ca x CoO 2 graded thin film [ Non-Patent Document 1] has been disclosed so far.

例えばCaxCoO2は伝導性のCoO2層と絶縁性のCa層がそれぞれc軸方向に沿って交互に積層する異方的な結晶構造を有する。それゆえ、適当な基板表面上に、c軸を傾斜積層させたCaxCoO2薄膜では、CoO2面が図1における層状面に対応し、図1と同様の系が成り立つ。傾斜積層させたCaxCoO2薄膜の表面に電磁波が入射すると、CaxCoO2薄膜の表面の法線方向に温度差が発生し、その結果、上述した異方熱電効果によってCaxCoO2薄膜の表面と平行方向に起電圧が発生する。このように、電磁波の入射に伴って薄膜表面と平行方向に発生する起電圧を読み取ることで、CaxCoO2傾斜積層薄膜では、約600mV/Kの感度で電磁波の検出が可能となる。 For example, Ca x CoO 2 has an anisotropic crystal structure in which conductive CoO 2 layers and insulating Ca layers are alternately stacked along the c-axis direction. Therefore, in a Ca x CoO 2 thin film in which the c-axis is inclined and laminated on an appropriate substrate surface, the CoO 2 surface corresponds to the layered surface in FIG. 1, and the same system as in FIG. 1 is established. When the electromagnetic waves on the surface of Ca x CoO 2 thin film is inclined stacking is incident, a temperature difference occurs in the normal direction of the Ca x CoO 2 thin film surface, as a result, Ca x CoO 2 thin film by anisotropic thermoelectric effect described above An electromotive force is generated in a direction parallel to the surface of the substrate. Thus, by reading the electromotive voltage generated in the direction parallel to the surface of the thin film with the incidence of the electromagnetic wave, the Ca x CoO 2 gradient laminated thin film can detect the electromagnetic wave with a sensitivity of about 600 mV / K.

YBCOにおいてΔSは高々10μV/K、CaxCoO2においてΔSは35μV/K程度である[非特許文献1]。より高い検出感度を実現するには、これ以上のΔSが必要となる。 In YBCO, ΔS is at most 10 μV / K, and in Ca x CoO 2 , ΔS is about 35 μV / K [Non-Patent Document 1]. In order to achieve higher detection sensitivity, a larger ΔS is required.

上述したYBCOやCaxCoO2などの層状物質では、層に対して平行方向(層平行方向)と層に対して垂直方向(層垂直方向)の2方向間に熱電特性の大きな異方性が存在し、これと比較して層内の異なる方向ではほとんど異方性がない。さらに、これら層状物質の結晶は層平行方向に成長しやすく、層垂直方向には成長しづらいという特徴があるので、単結晶の製造で一般的に用いられるフラックス法やフローティングゾーン法などでは層垂直方向に高々100μm程度、典型的には数μmから数十μmという非常に薄い結晶しか得られない。異方熱電効果を利用するデバイスを作製するにはこの薄い単結晶をさらに斜めに切り出す工程を経て傾斜積層体としなければならない。従って最終的に得られる傾斜積層体は、単結晶の厚みと同程度の高々数十μm角に留まってしまう。このような理由により、従来の層状物質において異方熱電効果を利用するような大面積のデバイスを実現するには単結晶基板をテンプレートとして気相成長などにより層状物質の傾斜配向薄膜を成長させる必要があるが、この場合厚みは高々数μmのものしか得られない。このため、光吸収以外の手段でデバイスに対して効率よく温度差をつけることは困難で、放射検出などのセンサ用途での利用に限られていた。発電用途で利用するには少なくとも数十μm以上の厚さの傾斜積層体をより大きな面積で得ることが、固体接触等により効率よく温度差をつけるために必要となる。 In the layered materials such as YBCO and Ca x CoO 2 described above, there is a large anisotropy of thermoelectric characteristics between two directions, ie, a direction parallel to the layer (layer parallel direction) and a direction perpendicular to the layer (layer vertical direction). Compared to this, there is almost no anisotropy in different directions in the layer. In addition, the crystal of these layered materials is easy to grow in the direction parallel to the layer and difficult to grow in the direction perpendicular to the layer. Therefore, in the flux method and the floating zone method generally used in the production of single crystals, Only very thin crystals of about 100 μm in the direction, typically several μm to several tens of μm, can be obtained. In order to produce a device using the anisotropic thermoelectric effect, the thin single crystal must be further obliquely cut out to form an inclined laminate. Therefore, the finally obtained inclined laminated body remains at most several tens of μm square, which is about the same as the thickness of the single crystal. For these reasons, it is necessary to grow a graded alignment thin film of layered material by vapor phase growth using a single crystal substrate as a template in order to realize a large-area device that utilizes the anisotropic thermoelectric effect in conventional layered materials. However, in this case, only a thickness of at most several μm can be obtained. For this reason, it is difficult to efficiently create a temperature difference with respect to the device by means other than light absorption, and it has been limited to use in sensor applications such as radiation detection. In order to use in power generation applications, it is necessary to obtain an inclined laminated body having a thickness of at least several tens of μm or more in a larger area in order to efficiently make a temperature difference by solid contact or the like.

また、非特許文献2、特許文献2および非特許文献3には異種材料からなる傾斜積層構造を構成する事により生じる材料異方性および異方熱電効果を利用して冷却や発電を行うデバイスが開示されている。これらは特性の異なる2種類の材料を人工的に積層したもので、ゼーベック係数の異方性ΔSは材料の組み合わせにより数百μV/K程度まで大きくできるが、1mm以下の厚さにすることが難しく、デバイスのアスペクト比l/dを大きくすることができないので大きな起電圧を得ることが困難であった。このため冷却時あるいは発電時には低い電圧で大きな電流を流す必要があり、動作のための電源やインバーターの回路設計などが複雑になるという問題があった。   Non-Patent Document 2, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 include devices that perform cooling and power generation by utilizing material anisotropy and anisotropic thermoelectric effect generated by forming an inclined laminated structure made of different materials. It is disclosed. These are artificially laminated two types of materials with different characteristics, and the anisotropic ΔS of the Seebeck coefficient can be increased to several hundred μV / K by combining the materials, but the thickness should be 1 mm or less. It is difficult to obtain a large electromotive voltage because the aspect ratio l / d of the device cannot be increased. For this reason, it is necessary to flow a large current at a low voltage during cooling or power generation, which causes a problem that the power supply for operation and the circuit design of the inverter become complicated.

以上に述べた背景から、優れた放射検出感度を実現するためにはゼーベック係数の大きな異方性、すなわち35μV/K以上のΔSと傾斜積層体としたときの厚さが1mm以下であることが必要となる。また、発電時に効率よく温度差をつけながら高い電圧を得るためには35μV/K以上のΔSと傾斜積層体としたときの厚さが10μm以上1mm以下であることが必要となる。   From the background described above, in order to realize excellent radiation detection sensitivity, the anisotropy of the Seebeck coefficient is large, that is, ΔS of 35 μV / K or more and the thickness when the inclined laminate is 1 mm or less. Necessary. In order to obtain a high voltage while efficiently generating a temperature difference during power generation, it is necessary that ΔS of 35 μV / K or more and the thickness of the inclined laminated body be 10 μm or more and 1 mm or less.

一方、非特許文献4には、層平行方向が異なる向きにおいて異方性を有する層状物質の材料として、Sr2-xLaxNb2O7が開示されている(非特許文献4)。非特許文献4では本材料の結晶合成方法、格子定数、電気輸送特性及び磁気特性が開示されている。 On the other hand, Non-Patent Document 4 discloses Sr 2-x La x Nb 2 O 7 as a material of a layered substance having anisotropy in directions in which the layer parallel directions are different (Non-Patent Document 4). Non-Patent Document 4 discloses a crystal synthesis method, a lattice constant, an electric transport property, and a magnetic property of this material.

非特許文献4では、図2に示されるように、Sr2-xLaxNb2O7は、c軸方向に4層のNbO6八面体からなるブロック層が周期的に積層された層状ペロブスカイト構造を有する。非特許文献4によればSr2-xLaxNb2O7の電気抵抗率は軸方向で異なる。Sr2-xLaxNb2O7のb軸方向の電気抵抗率は、a軸方向の電気抵抗率と比較して10倍、c軸方向の電気抵抗率は、a軸方向の電気抵抗率と比較して100倍の値を示す。また、層平行方向であるa軸方向の電気抵抗率とb軸方向の電気抵抗率の間には、大きな異方性がある。Sr2-xLaxNb2O7の単結晶はチョクラルスキー法またはフローティングゾーン法などの一般的な方法により、層平行方向に数mm、層垂直方向に1mm程度の大きさのものが作製できる。 In Non-Patent Document 4, as shown in FIG. 2, Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is a layered perovskite in which block layers composed of four NbO 6 octahedrons are periodically stacked in the c-axis direction. It has a structure. According to Non-Patent Document 4, the electrical resistivity of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 differs in the axial direction. The electrical resistivity in the b-axis direction of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is 10 times the electrical resistivity in the a-axis direction, and the electrical resistivity in the c-axis direction is the electrical resistivity in the a-axis direction. The value is 100 times that of. Further, there is a large anisotropy between the electrical resistivity in the a-axis direction, which is the layer parallel direction, and the electrical resistivity in the b-axis direction. Single crystals of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 are produced by a general method such as the Czochralski method or the floating zone method, with a size of several mm in the layer parallel direction and about 1 mm in the layer vertical direction. it can.

これまでのところSr2-xLaxNb2O7のゼーベック係数の異方性について開示がされた文献は無く、上記の非特許文献4等においても開示されていない。また、Sr2-xLaxNb2O7のゼーベック係数の異方性について示唆された文献もなく、上記の非特許文献4等においても開示されていない。これは、電気抵抗率の異方性があっても異方熱電効果による起電圧に直接関わるゼーベック係数の差ΔSが大きくなるとは限らないからである。このことは層平行方向と層垂直方向の電気抵抗率の比が室温で数十倍程度あるYBCOにおいてΔSが小さいことからもわかる(非特許文献5)。そのため、上記非特許文献4等の開示内容から直ちに、ゼーベック係数の異方性を見出すことは困難である。 So far, there is no document that discloses the anisotropy of the Seebeck coefficient of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 , and it is not disclosed in Non-Patent Document 4 and the like described above. Further, there is no literature suggesting the anisotropy of the Seebeck coefficient of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 , and it is not disclosed in the above Non-Patent Document 4 or the like. This is because even if there is anisotropy in electrical resistivity, the difference ΔS in the Seebeck coefficient directly related to the electromotive voltage due to the anisotropic thermoelectric effect does not always increase. This can also be seen from the fact that ΔS is small in YBCO where the ratio of the electrical resistivity in the layer parallel direction to the layer vertical direction is several tens of times at room temperature (Non-patent Document 5). Therefore, it is difficult to immediately find the anisotropy of the Seebeck coefficient from the disclosure content of Non-Patent Document 4 and the like.

特開平8-247851号公報JP-A-8-247851 特許第4078392号公報Japanese Patent No. 4078392

Applied Physics Letters 95, 051913 (2009).Applied Physics Letters 95, 051913 (2009). Applied Physics Letters 89, 192103 (2006).Applied Physics Letters 89, 192103 (2006). Applied Physics Letters 94, 061917 (2009).Applied Physics Letters 94, 061917 (2009). Progress in Solid State Chemistry 29, 1-70 (2001).Progress in Solid State Chemistry 29, 1-70 (2001). Physical Review B 50, 6534-6537 (1994).Physical Review B 50, 6534-6537 (1994).

前述の通り、異方熱電効果により高い放射検出感度を実現するにはゼーベック係数の異方性ΔSとデバイスのアスペクト比l/dを大きくする必要がある。具体的にはΔSが35μV/K以上、デバイス厚さが1mm以下である事が好ましい。また発電に用いる際には効率よく温度差をつけられるということも条件に加わり、ΔSが35μV/K以上、傾斜積層体としたときの厚さが10μm以上1mm以下である事が必要となる。従来のCaxCoO2などの層状物質あるいは異種材料からなる傾斜積層構造を用いた場合はこのようなデバイスは実現できない。 As described above, in order to realize high radiation detection sensitivity by the anisotropic thermoelectric effect, it is necessary to increase the anisotropy ΔS of the Seebeck coefficient and the device aspect ratio l / d. Specifically, ΔS is preferably 35 μV / K or more and the device thickness is 1 mm or less. In addition, when used for power generation, it is necessary to add a temperature difference efficiently, and it is necessary that ΔS is 35 μV / K or more, and that the thickness when the inclined laminate is 10 μm or more and 1 mm or less. Such a device cannot be realized when a conventional layered material such as Ca x CoO 2 or an inclined laminated structure made of different materials is used.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い放射検出感度および発電時の高い動作電圧を実現する異方的熱電材料と、これを用いた放射検出器および発電デバイスを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and provides an anisotropic thermoelectric material that realizes high radiation detection sensitivity and high operating voltage during power generation, and a radiation detector and power generation device using the same. Objective.

前記従来の課題を解決するために、本発明者らは熱電材料の異方熱電特性について研究を重ねた結果、化学式Sr2-xLaxNb2O7で表される層状ペロブスカイト構造を有する材料の結晶において、層平行方向と層垂直方向の間だけではなく、結晶成長が容易な層平行方向であるa軸方向およびb軸方向との間においてもゼーベック係数が大きな異方性を示すことを見出し、この知見に基づいて本発明に到達するに至った。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present inventors have conducted research on the anisotropic thermoelectric properties of thermoelectric materials, and as a result, have a layered perovskite structure represented by the chemical formula Sr 2-x La x Nb 2 O 7 It is shown that the Seebeck coefficient shows large anisotropy not only between the layer parallel direction and the layer vertical direction but also between the a-axis direction and the b-axis direction, which are the layer parallel directions where crystal growth is easy. Based on the finding and this finding, the present invention has been reached.

すなわち本発明の異方的熱電材料は、化学式Sr2-xLaxNb2O7で表され、c軸方向に5層のNbO6八面体からなるブロック層が周期的に積層してなる層状ペロブスカイト型の結晶構造を有し、a軸方向とa軸に対して垂直方向のゼーベック係数との差の絶対値が100μV/K以上であるような大きな異方性を有する。さらに、異方性を有する結晶軸のうち、a軸およびb軸は結晶成長が容易な層状構造の層平行方向を向いており、一般的な結晶成長法によって容易に数mm角の結晶を得ることができる。 That is, the anisotropic thermoelectric material of the present invention is represented by the chemical formula Sr 2-x La x Nb 2 O 7 , and is a layered structure in which block layers composed of five NbO 6 octahedrons are periodically stacked in the c-axis direction. It has a perovskite crystal structure and has a large anisotropy such that the absolute value of the difference between the a-axis direction and the Seebeck coefficient in the direction perpendicular to the a-axis is 100 μV / K or more. Furthermore, among the crystal axes having anisotropy, the a-axis and the b-axis are oriented in the layer parallel direction of a layered structure in which crystal growth is easy, and a crystal of several mm square can be easily obtained by a general crystal growth method. be able to.

本発明の異方的熱電材料は結晶成長が容易な層平行方向における異なる向きに関してゼーベック係数の大きな異方性を有する。   The anisotropic thermoelectric material of the present invention has anisotropy with a large Seebeck coefficient with respect to different directions in the layer parallel direction in which crystal growth is easy.

異方熱電効果の説明図Illustration of anisotropic thermoelectric effect 本発明の異方的熱電材料Sr2-xLaxNb2O7の結晶構造を示した図The figure which showed the crystal structure of anisotropic thermoelectric material Sr 2-x La x Nb 2 O 7 of the present invention 実施の形態2に記載の単結晶基板上のSr2-xLaxNb2O7の結晶配向薄膜の構造を示した図The figure which showed the structure of the crystal orientation thin film of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 on the single crystal substrate described in the second embodiment 実施の形態3に記載の板状の結晶から傾斜結晶片切り出す際の配置を示した図The figure which showed arrangement | positioning at the time of cutting out an inclination crystal piece from the plate-shaped crystal | crystallization described in Embodiment 3. 実施の形態3に記載の放射検出器の構成を示した図The figure which showed the structure of the radiation detector as described in Embodiment 3. 実施の形態4に記載の放射検出器の構成を示した図The figure which showed the structure of the radiation detector as described in Embodiment 4. 実施の形態5に記載の発電デバイスの構成を示した図The figure which showed the structure of the electric power generation device as described in Embodiment 5. 実施の形態6に記載の放射検出器の構成を示した図The figure which showed the structure of the radiation detector as described in Embodiment 6. 実施の形態6に記載の放射検出器の構成を示した上面図Top view showing the configuration of the radiation detector according to the sixth embodiment 実施例1に記載のSr2-xLaxNb2O7のX線回折パターンを示した図Shows the X-ray diffraction pattern of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 as described in Example 1 実施例1に記載のSr2-xLaxNb2O7のc軸長の変化を示した図View showing a change in c-axis length of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 as described in Example 1 実施例1に記載のゼーベック係数、熱伝導率の測定原理を示した図The figure which showed the measurement principle of Seebeck coefficient and thermal conductivity as described in Example 1 実施例2に記載のSr1.8La0.2Nb2O7の熱伝導率κ、ゼーベック係数S、電気抵抗率ρの温度依存性を示した図Shows thermal conductivity of Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 according kappa, Seebeck coefficient S, the temperature dependence of the electrical resistivity ρ in Example 2

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
実施の形態1では本発明の異方的熱電材料におけるバルク単結晶の作製について述べる。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, the production of a bulk single crystal in the anisotropic thermoelectric material of the present invention will be described.

本発明の異方的熱電材料は化学式Sr2Nb2O7,Sr4Nb4O14,SrNbO3.5等で表される図2のような結晶構造を有する酸化物材料に電気伝導担体(電気伝導キャリア)を注入したものであり、単結晶あるいは結晶配向した焼結体からなるバルクまたは薄膜の形態で用いられる。Sr2Nb2O7の結晶のa、b、c軸の方向は図2に記載したとおりである。 The anisotropic thermoelectric material of the present invention is an electrically conductive carrier (electrically conductive) in an oxide material having a crystal structure as shown in FIG. 2 represented by chemical formulas Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 4 Nb 4 O 14 , SrNbO 3.5, and the like. Carrier) and is used in the form of a bulk or thin film made of a single crystal or a crystal-oriented sintered body. The directions of the a, b, and c axes of the Sr 2 Nb 2 O 7 crystal are as described in FIG.

本実施の形態では本発明の異方的熱電材料Sr2-xLaxNb2O7の単結晶バルクの作製方法について説明する。Sr2-xLaxNb2O7単結晶はストロンチウム、ランタン及びニオブが含まれる酸化物を溶融し、結晶成長行うことで得られる。この際、原料として炭酸ストロンチウム(SrCO3)、三酸化二ランタン(La2O3)と五酸化二ニオブ(Nb2O5)などを用いることができる。これらの原料を所望のモル比率となる様に秤量・混合し、焼成を行うことによって単結晶成長を行う際の出発材料とする。焼成過程における条件としては1000〜1400℃での固相反応法による合成が好ましく、焼成雰囲気としては空気、酸素、またはアルゴンなどの不活性雰囲気ガス等を流入する。後の過程で所望の構造を得るためにはアルゴンなどの不活性ガスまたは水素入りアルゴンガスなどの還元性のガス等を流入し焼成・合成する事が望ましい。また本発明におけるランタンの役割は結晶内へのドーピングによって電気伝導キャリアを注入することであるため、電気伝導キャリアを注入することができれば、他の希土類元素やビスマス・タリウムなどでも構わない。その他、電気伝導キャリアを注入する他の手法としては材料内の酸素を欠損させる、ニオブに変わってモリブデンなど六族の遷移金属元素をドーピングするなどの手段もある。 In this embodiment mode, a method for manufacturing a single crystal bulk of the anisotropic thermoelectric material Sr 2-x La x Nb 2 O 7 of the present invention will be described. The Sr 2-x La x Nb 2 O 7 single crystal is obtained by melting an oxide containing strontium, lanthanum, and niobium and performing crystal growth. At this time, strontium carbonate (SrCO 3 ), dilanthanum trioxide (La 2 O 3 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), and the like can be used as raw materials. These raw materials are weighed and mixed so as to have a desired molar ratio, and fired to obtain a starting material for single crystal growth. As a condition in the firing process, synthesis by a solid phase reaction method at 1000 to 1400 ° C. is preferable, and as a firing atmosphere, an inert atmosphere gas such as air, oxygen, or argon is introduced. In order to obtain a desired structure in a later process, it is desirable to sinter and synthesize by introducing an inert gas such as argon or a reducing gas such as argon gas containing hydrogen. In addition, since the role of lanthanum in the present invention is to inject electric conductive carriers by doping into the crystal, other rare earth elements, bismuth thallium, etc. may be used as long as the electric conductive carriers can be injected. In addition, other methods for injecting electrically conductive carriers include depleting oxygen in the material and doping with a Group 6 transition metal element such as molybdenum instead of niobium.

次に得られた出発原料を用い、結晶合成を行う。結晶合成方法としてはセルフフラックス法やフローティングゾーン法またはチョクラルスキー法などに代表される引き上げ法等が有るが、比較的簡便に結晶を得られる方法としては赤外線集中加熱式フローティングゾーン法がある。フローティングゾーン法を用いる場合には、結晶育成を行うに先立ち、出発原料を棒状に成型する必要がある。そこで原料を焼成することで得られる出発原料を棒状(φ5×100mm)に油圧式ハンドプレス機で成型して焼成を行う。この焼成は、1300~1500℃付近での融点直下で行われ、十分な強度の焼成物が得られることが望ましい。また焼成雰囲気としてはアルゴンなどの不活性雰囲気ガスを流入することが望ましい。また、後の過程で所望の構造を得るためには、水素入りアルゴンガスなどの酸素還元性のガス等を流入することが望ましい。   Next, crystal synthesis is performed using the obtained starting material. Examples of the crystal synthesis method include a self-flux method, a floating zone method, a pulling method represented by the Czochralski method, and the like. As a method for obtaining crystals relatively easily, there is an infrared concentrated heating type floating zone method. When the floating zone method is used, it is necessary to form the starting material into a rod shape prior to crystal growth. Therefore, the starting material obtained by firing the raw material is molded into a rod shape (φ5 × 100 mm) with a hydraulic hand press and fired. This calcination is preferably performed immediately below the melting point in the vicinity of 1300 to 1500 ° C., and it is desirable to obtain a baked product with sufficient strength. Further, it is desirable to flow in an inert atmosphere gas such as argon as the firing atmosphere. In order to obtain a desired structure in a later process, it is desirable to flow in an oxygen reducing gas such as an argon gas containing hydrogen.

フローティングゾーン法を用いる場合、溶融体が安定して移動する速度で、棒状の出発原料を移動させ、結晶成長させる。具体的には5〜15mm/Hr程度の速度で、棒状の出発原料が下方に移動させることが望ましい。   When the floating zone method is used, the rod-shaped starting material is moved at a speed at which the melt moves stably, and crystals are grown. Specifically, it is desirable that the rod-shaped starting material is moved downward at a speed of about 5 to 15 mm / Hr.

また、結晶内の不純物や元素の欠損を、電気伝導性を妨げない程度、含有していても良い。   Moreover, impurities and element defects in the crystal may be contained to the extent that electrical conductivity is not hindered.

以上、Sr2-xLaxNb2O7の単結晶の作製方法の一例を示したが、本発明のSr2-xLaxNb2O7を作製するにあたり、上記セルフフラックス法、チュクラルスキー法を用いる他、その他一般的に用いられる方法により作成することが出来る。 Above, when showed an example of a method for manufacturing a single crystal of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 , to produce a Sr 2-x La x Nb 2 O 7 of the present invention, the self-flux method, Chukuraru In addition to using the ski method, it can be created by other commonly used methods.

(実施の形態2)
実施の形態2では本発明の異方的熱電材料における薄膜単結晶の作製について述べる。
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, preparation of a thin film single crystal in the anisotropic thermoelectric material of the present invention will be described.

図3を用いながら本発明のSr2-xLaxNb2O7の結晶配向薄膜31を作製する方法について説明する。本実施の形態におけるSr2-xLaxNb2O7薄膜は単結晶基板32上に作製される。 A method of producing the Sr 2-x La x Nb 2 O 7 crystalline orientation thin film 31 of the present invention will be described with reference to FIG. The Sr 2-x La x Nb 2 O 7 thin film in the present embodiment is formed on the single crystal substrate 32.

Sr2-xLaxNb2O7のa軸方向のゼーベック係数に対するb軸およびc軸方向のゼーベック係数がそれぞれ大きな異方性を示す。そのため、異方熱電効果による起電圧を大きくするためには図3の様に基板面34に対してSr2-xLaxNb2O7の結晶配向薄膜31のa軸方向33が傾斜するように結晶成長を行うことが好ましい。以下、Sr2-xLaxNb2O7のa軸と基板面34とのなす傾斜角をαとする。 The b-axis and c-axis direction Seebeck coefficients of the Sr 2-x La x Nb 2 O 7 a-axis direction Seebeck coefficient show large anisotropy. Therefore, in order to increase the electromotive voltage due to the anisotropic thermoelectric effect, the a-axis direction 33 of the Sr 2-x La x Nb 2 O 7 crystalline orientation thin film 31 is inclined with respect to the substrate surface 34 as shown in FIG. It is preferable to perform crystal growth. Hereinafter, an inclination angle formed between the a-axis of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 and the substrate surface 34 is defined as α.

用いる単結晶基板32はSrTiO3、MgO、Al2O3、LaAlO3、NdGaO3、YAlO3、LaSrAlO4、Si等の単結晶材料が好ましい。Sr2-xLaxNb2O7のa軸方向33と基板面34とのなす傾斜角aは、上記単結晶基板32の低指数面からの傾斜角を変化させることによって制御できる。低指数面とは(100)、(010)、(001)、(110)、(011)、(101)、(111)およびこれらと等価な面のことを言う。またAl2O3の場合は(0001)、(11-20)、(1-100)、(10-12)、(11-23)、(10-11)およびこれらと等価な面である。 The single crystal substrate 32 used is preferably a single crystal material such as SrTiO 3 , MgO, Al 2 O 3 , LaAlO 3 , NdGaO 3 , YAlO 3 , LaSrAlO 4 , or Si. The inclination angle a formed by the a-axis direction 33 of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 and the substrate surface 34 can be controlled by changing the inclination angle of the single crystal substrate 32 from the low index plane. The low index plane means (100), (010), (001), (110), (011), (101), (111) and equivalent planes. In the case of Al 2 O 3 , these are (0001), (11-20), (1-100), (10-12), (11-23), (10-11) and equivalent surfaces.

Sr2-xLaxNb2O7のa軸方向33と基板面34とのなす傾斜角αは10°から80°の間にあることが好ましく、30°から60°であることがより好ましい。この理由は、式(1)にも示すように、異方熱電効果によって発生する起電圧が、sin2αに比例し、αが45°で最大になるためである。 The inclination angle α formed by the a-axis direction 33 of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 and the substrate surface 34 is preferably between 10 ° and 80 °, more preferably 30 ° to 60 °. . This is because the electromotive voltage generated by the anisotropic thermoelectric effect is proportional to sin2α, and α is maximized at 45 °, as shown in equation (1).

Sr2-xLaxNb2O7の結晶配向性薄膜31の膜厚は、a軸方向33が基板面34に対して一定の角度αを保っていれば特に限定されるものでは無いが、光吸収により、Sr2-xLaxNb2O7の結晶配向性薄膜31の膜厚方向に温度差を効率的につけるためには30nm以上であることが好ましい。 The film thickness of the crystal orientation thin film 31 of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is not particularly limited as long as the a-axis direction 33 maintains a constant angle α with respect to the substrate surface 34, In order to efficiently create a temperature difference in the film thickness direction of the Sr 2-x La x Nb 2 O 7 crystal orientation thin film 31 by light absorption, it is preferably 30 nm or more.

Sr2-xLaxNb2O7の結晶配向性薄膜31をスパッタ法によって作製する場合、Sr,La及びNbのモル比が2-x:x:2でとなる酸化物をターゲットとする。スパッタは純アルゴン中あるいはアルゴンと水素の混合ガス中にて行うことが好ましい。スパッタ時の圧力は0.1Paから10Paの範囲であることが好ましい。薄膜作製時の基板温度は400℃から900℃の間で保持することが好ましい。 When the crystal orientation thin film 31 of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is produced by sputtering, an oxide in which the molar ratio of Sr, La and Nb is 2-x: x: 2 is targeted. Sputtering is preferably performed in pure argon or a mixed gas of argon and hydrogen. The pressure during sputtering is preferably in the range of 0.1 Pa to 10 Pa. The substrate temperature during the production of the thin film is preferably maintained between 400 ° C. and 900 ° C.

以上、Sr2-xLaxNb2O7の結晶配向性薄膜31の作製方法の一例を示したが、Sr2-xLaxNb2O7のa軸方向33が基板面34に対して傾斜した構造を実現できれば作製方法は特に限定されない。スパッタ法の他に、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法等の気相成長によるもの、あるいは液相や固相からの成長等、種々の方法を用いて、当該薄膜を作成する事が可能である。 Above, an example of a method for manufacturing a Sr 2-x La x Nb 2 crystal orientation film 31 O 7, a direction 33 of the Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is with respect to the substrate surface 34 A manufacturing method is not particularly limited as long as an inclined structure can be realized. In addition to sputtering, the thin film is formed using various methods such as vapor deposition such as vapor deposition, laser ablation, and chemical vapor deposition, or growth from a liquid phase or a solid phase. Things are possible.

(実施の形態3)
実施の形態3では実施の形態1に記載したバルク単結晶を用いた放射検出器について述べる。
(Embodiment 3)
In Embodiment 3, a radiation detector using the bulk single crystal described in Embodiment 1 is described.

図4および図5を用いながら実施の形態1に記載した方法で作製されるSr2-xLaxNb2O7を用いた放射検出器の構成について説明する。 A configuration of a radiation detector using Sr 2-x La x Nb 2 O 7 manufactured by the method described in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

まず、図4で示すような結晶成長によって得られた板状の結晶41を、刃物により劈開および切断して傾斜結晶片42を切り出す。この際、図4で示したように、Sr2-xLaxNb2O7のa軸が、傾斜結晶片42の長手方向の外形面に対して角度α傾斜するように切り出す。 First, a plate-like crystal 41 obtained by crystal growth as shown in FIG. 4 is cleaved and cut with a blade to cut out an inclined crystal piece 42. At this time, as shown in FIG. 4, the a-axis of Sr 2−x La x Nb 2 O 7 is cut out so as to be inclined at an angle α with respect to the longitudinal outer surface of the inclined crystal piece 42.

次に図5のように前記傾斜結晶片42の長手方向に対向する形で、前記傾斜結晶片42の短辺側の両端面に第1電極51および第2電極52を配置する。   Next, as shown in FIG. 5, the first electrode 51 and the second electrode 52 are arranged on both end faces on the short side of the inclined crystal piece 42 so as to face the longitudinal direction of the inclined crystal piece 42.

傾斜結晶片42の厚みに対する、第1電極51の配置位置中心から第2電極52の配置位置中心までの距離が、式(1)におけるアスペクト比l/dに対応するので、大きな起電圧を得るためには傾斜結晶片42の厚みが薄いことが好ましい。具体的には傾斜結晶片42の厚みは1mm以下であることが好ましい。   Since the distance from the center position of the first electrode 51 to the center position of the second electrode 52 with respect to the thickness of the tilted crystal piece 42 corresponds to the aspect ratio l / d in equation (1), a large electromotive voltage is obtained. Therefore, it is preferable that the tilted crystal piece 42 is thin. Specifically, the thickness of the tilted crystal piece 42 is preferably 1 mm or less.

第1電極および第2電極には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いる。また、第1電極および第2電極とSr2-xLaxNb2O7との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。 It is preferable to use a material having excellent conductivity for the first electrode and the second electrode. For example, metals such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, In, or nitrides or oxides such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), SnO 2 may be used. Good. In addition, solder, silver solder, conductive paste, or the like is used as the electrode. Further, Al, Ti, Ta, or the like may be provided as an intermediate layer in order to reduce the contact resistance between the first electrode and the second electrode and Sr 2-x La x Nb 2 O 7 .

上記のように電極が設けられた傾斜結晶片を、放熱体53に接続することで放射検出器を構成できる。この際、放熱体53と傾斜結晶片42との接続面は、Sr2-xLaxNb2O7のa軸とのなす角度がαである。放熱体53と傾斜結晶片42との接続部は電気的に絶縁されていることが好ましい。 A radiation detector can be configured by connecting the tilted crystal piece provided with the electrodes as described above to the radiator 53. At this time, the connection surface between the radiator 53 and the inclined crystal piece 42 has an angle of α with the a-axis of Sr 2−x La x Nb 2 O 7 . It is preferable that the connection portion between the radiator 53 and the inclined crystal piece 42 is electrically insulated.

放熱体53には電気的に絶縁性を有するアルミナ、窒化アルミ、窒化硼素などからなるセラミクスまたは単結晶を用いることができる。また絶縁体によってコーティングされた銅、アルミ、ステンレス、チタンなどを用いることもできる。   The radiator 53 can be made of ceramic or single crystal made of electrically insulating alumina, aluminum nitride, boron nitride or the like. Further, copper, aluminum, stainless steel, titanium or the like coated with an insulator can also be used.

このように作製される放射検出器の、放熱体を配置しない側の面に対して入射光54が入射すると、傾斜結晶片42の厚み方向に温度差が付き、異方熱電効果により第1電極51と第2電極52の間に起電圧が発生する。この起電圧を読み取ることで入射光54の検出が可能となる。   When the incident light 54 is incident on the surface of the radiation detector manufactured in this way on the side where the radiator is not disposed, a temperature difference is caused in the thickness direction of the inclined crystal piece 42, and the first electrode is caused by the anisotropic thermoelectric effect. An electromotive voltage is generated between 51 and the second electrode 52. The incident light 54 can be detected by reading this electromotive voltage.

(実施の形態4)
実施の形態4では実施の形態2に記載した薄膜単結晶を用いた放射検出器について述べる。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, a radiation detector using the thin film single crystal described in the second embodiment will be described.

図6を用いながら本実施の形態の放射検出器の構成について説明する。   The configuration of the radiation detector according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施の形態の放射検出器は、実施の形態2に記載した方法で作製されるSr2-xLaxNb2O7の結晶配向薄膜61を単結晶基板62の上に配置し、傾斜配向薄膜61の上に第1電極63および第2電極64を配置することにより作製される。 In the radiation detector of the present embodiment, a crystal orientation thin film 61 of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 manufactured by the method described in Embodiment 2 is disposed on a single crystal substrate 62, and tilted orientation is achieved. The first electrode 63 and the second electrode 64 are disposed on the thin film 61.

第1電極63および第2電極64には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いてもよい。また、第1電極および第2電極とSr2-xLaxNb2O7との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。 For the first electrode 63 and the second electrode 64, it is preferable to use a material having excellent conductivity. For example, metals such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, In, or nitrides or oxides such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), SnO 2 may be used. Good. In addition, solder, silver solder, conductive paste, or the like may be used as the electrode. Further, Al, Ti, Ta, or the like may be provided as an intermediate layer in order to reduce the contact resistance between the first electrode and the second electrode and Sr 2-x La x Nb 2 O 7 .

このように作製される放射検出器の、傾斜配向薄膜61の側の表面に対して当てられた入射光65は傾斜配向薄膜61によって吸収され、膜厚方向に温度差が付き、異方熱電効果により第1電極63と第2電極64の間に起電圧が発生する。この起電圧を読み取ることで入射光65の検出が可能となる。   Incident light 65 applied to the surface of the radiation detector manufactured in this way on the side of the tilted alignment thin film 61 is absorbed by the tilted alignment thin film 61, causing a temperature difference in the film thickness direction, and an anisotropic thermoelectric effect. Thus, an electromotive voltage is generated between the first electrode 63 and the second electrode 64. The incident light 65 can be detected by reading this electromotive voltage.

(実施の形態5)
図7のように、実施の形態3で説明した放射検出器と同様の構成に、集熱体75を接続することで発電デバイスを構成できる。
(Embodiment 5)
As shown in FIG. 7, a power generation device can be configured by connecting a heat collector 75 to the same configuration as that of the radiation detector described in the third embodiment.

本実施の形態における放熱体74および集熱体75は実施の形態3における放熱体53と同様に、傾斜結晶片71との接合面において電気的に絶縁された状態で熱的に接続することが好ましい。   The radiator 74 and the heat collector 75 in the present embodiment may be thermally connected in a state of being electrically insulated at the joint surface with the inclined crystal piece 71, like the radiator 53 in the third embodiment. preferable.

放熱体74および集熱体75には電気的に絶縁性を有するアルミナ、窒化アルミ、窒化硼素などを用いることができる。また絶縁体によってコーティングされた銅、アルミ、ステンレス、チタンなどを用いることもできる。   For the radiator 74 and the heat collector 75, electrically insulating alumina, aluminum nitride, boron nitride, or the like can be used. Further, copper, aluminum, stainless steel, titanium or the like coated with an insulator can also be used.

傾斜結晶片71の厚みに対する、第1電極72の端から第2電極73の端までの距離であるアスペクト比を大きくするために、傾斜結晶片42の厚みが薄いことが好ましい。具体的には傾斜結晶片42の厚みは1mm以下であることが好ましい。   In order to increase the aspect ratio, which is the distance from the end of the first electrode 72 to the end of the second electrode 73, with respect to the thickness of the inclined crystal piece 71, the inclined crystal piece 42 is preferably thin. Specifically, the thickness of the tilted crystal piece 42 is preferably 1 mm or less.

一方で、発電の際には、熱源と集熱体75との間の熱伝達および冷却媒体と放熱体74との間の熱伝達は、固体接触、流体による接触あるいは気体との接触など様々な方式が用いられるので、傾斜結晶片の厚みが薄すぎた場合には傾斜結晶片71に対して効率よく温度差を加えることが困難になる。従って効率よく発電を行うためには傾斜結晶片71の厚みは10μm以上であることが好ましい。   On the other hand, during power generation, heat transfer between the heat source and the heat collection body 75 and heat transfer between the cooling medium and the heat dissipation body 74 are various, such as solid contact, contact by fluid, or contact with gas. Since the method is used, it is difficult to efficiently apply a temperature difference to the tilted crystal piece 71 when the thickness of the tilted crystal piece is too thin. Therefore, in order to efficiently generate power, the thickness of the tilted crystal piece 71 is preferably 10 μm or more.

(実施の形態6)
実施の形態6では本発明の材料における電極配置の異なる放射検出器について述べる。
(Embodiment 6)
In Embodiment 6, radiation detectors having different electrode arrangements in the material of the present invention will be described.

図8(a)、(b)を用いて、本実施の形態の放射検出器の構成を説明する。   The configuration of the radiation detector according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 (a) and 8 (b).

実施の形態1に記載の方法でSr2-xLaxNb2O7の単結晶を作製し、これを刃物にて劈開および切断し平板状の結晶片81を切り出す。この際結晶片81のもっとも広い面はSr2-xLaxNb2O7のc軸に対してほぼ垂直であることが好ましい。また、図8(a)、(b)において結晶片81は直方体状であるが、c軸にほぼ垂直な表面を有する平板状であれば良いので、直方体に限らず円板や多角形状の板など様々な形状でも良い。 A single crystal of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 is prepared by the method described in Embodiment 1, and this is cleaved and cut with a blade to cut out a plate-like crystal piece 81. At this time, it is preferable that the widest surface of the crystal piece 81 is substantially perpendicular to the c-axis of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 . 8 (a) and 8 (b), the crystal piece 81 has a rectangular parallelepiped shape, but may be a flat plate having a surface substantially perpendicular to the c-axis. Various shapes may be used.

次に結晶片81の表面に電極を作製する。この際結晶片81の中央部に関して対向するように配置された電極82aと電極82bとが対応する向き、あるいは電極83aと電極83bとが対向する向きが、Sr2-xLaxNb2O7のa軸およびb軸に対して傾斜している(図8(b)のα)。前記傾斜の角度は30°以上60°以下であることが好ましく、45°であることが最も好ましい。この理由は、式(1)にも示すように、異方熱電効果によって発生する起電圧が、sin2αに比例し、αが45°で最大になるためである。 Next, an electrode is formed on the surface of the crystal piece 81. At this time, the direction in which the electrode 82a and the electrode 82b arranged so as to face each other with respect to the central portion of the crystal piece 81 or the direction in which the electrode 83a and the electrode 83b face each other is Sr 2-x La x Nb 2 O 7 It is inclined with respect to the a-axis and b-axis (α in FIG. 8 (b)). The inclination angle is preferably 30 ° or more and 60 ° or less, and most preferably 45 °. This is because the electromotive voltage generated by the anisotropic thermoelectric effect is proportional to sin2α, and α is maximized at 45 °, as shown in equation (1).

検出対象である光は結晶片81の中央部付近の光照射領域84に照射されるが、Sr2-xLaxNb2O7のゼーベック係数および熱伝導率がa軸およびb軸に関して異方性を有するためab面内において異方熱電効果が生じる。これにより対向する電極間で起電圧が発生し、放射検出を行うことができる。 The light to be detected is applied to the light irradiation region 84 near the center of the crystal piece 81, but the Seebeck coefficient and thermal conductivity of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 are anisotropic with respect to the a-axis and b-axis. Therefore, an anisotropic thermoelectric effect occurs in the ab plane. As a result, an electromotive voltage is generated between the opposing electrodes, and radiation detection can be performed.

電極には、導電性に優れる材料を用いることが好ましい。例えば、Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、Inなどの金属、あるいは、TiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2などの窒化物または酸化物を用いてもよい。その他、ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどを電極として用いる。また、電極とSr2-xLaxNb2O7との間の接触抵抗を低減するために中間層としてAl、Ti、Taなどを設けてもよい。 It is preferable to use a material having excellent conductivity for the electrode. For example, metals such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, In, or nitrides or oxides such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), SnO 2 may be used. Good. In addition, solder, silver solder, conductive paste, or the like is used as the electrode. Further, Al as the intermediate layer in order to reduce the contact resistance between the electrode and Sr 2-x La x Nb 2 O 7, Ti, or the like may be provided Ta.

以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。   Hereinafter, more specific examples of the present invention will be described.

本発明の熱電変換材料Sr2-xLaxNb2O7を赤外線集中加熱式フローティングゾーン法によって作製した。まず、化学量論比において原料となる炭酸ストロンチウム、三酸化二ランタン及び五酸化二二オブを所望の組成となるように秤量・混合し、アルゴン気流中、1400℃で、それぞれ20時間の焼成を行った。次に、得られた粉末を円柱棒状に成型して再度アルゴン気流中において1400℃で20時間の焼成を行った。更に得られた原料棒を用い、フローティングゾーン法によって水素(0.75%)を含むアルゴン気流中で、溶融体を8mm/Hrで移動させ、a軸方向に20mm、b軸方向に4mm、c軸方向に1mmの結晶を作製した。得られた結晶の一部を粉末状に粉砕し、X線回折による構造評価を行った。その結果、Sr1.8La0.2Nb2O7において図9に示すようなピークパターンが観測された。また全てのピークで指数付けが可能であり、試料が単相であることを確認した。また図10に示すようにc軸長はベガード則に従い、ランタン量xに比例して変化した。よって所望のLa量がドーピングされていることが判明した。またx=0.5以上の試料については単相の形態ではなく、不純物を含有することが判明した。 The thermoelectric conversion material Sr 2-x La x Nb 2 O 7 of the present invention was produced by an infrared concentrated heating type floating zone method. First, strontium carbonate, dilanthanum trioxide and niobium pentoxide, which are raw materials in a stoichiometric ratio, are weighed and mixed so as to have a desired composition, and fired at 1400 ° C. for 20 hours in an argon stream. went. Next, the obtained powder was molded into a cylindrical rod shape and again fired at 1400 ° C. for 20 hours in an argon stream. Furthermore, using the obtained raw material rod, the melt was moved at 8 mm / Hr in an argon stream containing hydrogen (0.75%) by the floating zone method, 20 mm in the a-axis direction, 4 mm in the b-axis direction, and c-axis direction. A 1 mm crystal was prepared. A part of the obtained crystal was pulverized into a powder and subjected to structural evaluation by X-ray diffraction. As a result, a peak pattern as shown in FIG. 9 was observed in Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 . Moreover, indexing was possible for all peaks, and it was confirmed that the sample was a single phase. Further, as shown in FIG. 10, the c-axis length changed in proportion to the lanthanum amount x according to the Vegard law. Therefore, it was found that a desired amount of La was doped. It was also found that samples with x = 0.5 or more contained impurities rather than a single-phase form.

上記方法について作製した試料の熱・電気伝導特性の評価を行った。電気抵抗率の測定には4端子法を用いた。a軸およびb軸方向に4mm、c軸方向に0.75mmとなるように、精密切断機で切り出し成型した試料を用いて、測定を行った。クロムを接着層として用いた金電極を試料上の電極として用いた。この電極はスパッタリング法を用いて作成した。ゼーベック係数・熱伝導率の測定には定常法を用いた。測定原理について図11を用いて説明する。精密切断機によって切断・成型した試料を、測定試料111として用いた。電気・熱の信号を取り出すために測定試料の上・下面にアルミニウムを接着層とする金電極112を作成した。その後、常温で硬化する銀ペースト113を用いて、銅製のリードバー114に試料を固定した。上部リードバー114にはヒーター115及び高温側温度計116が接続され、下部リードバー117には低温側温度計118及び熱浴119が接続されている。ヒーターで生じた熱が最下の熱浴119に吸熱されるように設けられた測定治具を用いた。具体的には、ヒーターで生じた熱が、上部リードバー114を介して試料111に流れ込み、試料111から下部リードバー117に流れ込むことで最下の熱浴119に吸熱されるように設けられた測定治具を用いた。試料における最上下間の2つの異なる温度を、リードバーに取り付けた温度計で読み取ることで、常時温度差をモニターした。温度計付近での起電力と温度差が分れば、ゼーベック係数を測定できる。熱伝導率は断面積・温度勾配に比例し、熱が流れる方向の長さに反比例する物理量である。よって、ヒーターを用いて熱流を発生させ、温度計間の試料の断面積・長さ・温度差により、熱伝導率を規格化した。測定治具及び試料からの周囲気体を介した熱放射が大きくなると、熱伝導率の正確な測定を行うことが出来ない。そのため、熱量が測定治具・試料表面から極力逃げないように10-2Pa程度の真空中で測定した。 The thermal and electrical conductivity characteristics of the samples prepared for the above method were evaluated. The 4-terminal method was used for measuring the electrical resistivity. Measurement was performed using a sample cut and molded by a precision cutting machine so that the distance was 4 mm in the a-axis and b-axis directions and 0.75 mm in the c-axis direction. A gold electrode using chromium as an adhesive layer was used as the electrode on the sample. This electrode was prepared using a sputtering method. A stationary method was used to measure the Seebeck coefficient and thermal conductivity. The measurement principle will be described with reference to FIG. A sample cut and molded by a precision cutting machine was used as the measurement sample 111. Gold electrodes 112 having aluminum as an adhesive layer were formed on the upper and lower surfaces of the measurement sample in order to extract electrical and thermal signals. Thereafter, the sample was fixed to the copper lead bar 114 using a silver paste 113 that hardened at room temperature. A heater 115 and a high temperature side thermometer 116 are connected to the upper lead bar 114, and a low temperature side thermometer 118 and a heat bath 119 are connected to the lower lead bar 117. A measuring jig provided so that the heat generated by the heater was absorbed by the lowest heat bath 119 was used. Specifically, the heat generated by the heater flows into the sample 111 through the upper lead bar 114, and is absorbed into the lower heat bath 119 by flowing into the lower lead bar 117 from the sample 111. A measuring jig was used. The temperature difference was constantly monitored by reading two different temperatures between the top and bottom of the sample with a thermometer attached to the lead bar. If the electromotive force and temperature difference near the thermometer are known, the Seebeck coefficient can be measured. Thermal conductivity is a physical quantity that is proportional to the cross-sectional area and temperature gradient and inversely proportional to the length of the direction in which heat flows. Therefore, a heat flow was generated using a heater, and the thermal conductivity was normalized by the cross-sectional area, length, and temperature difference of the sample between thermometers. When thermal radiation from the measurement jig and the sample through the surrounding gas increases, accurate measurement of thermal conductivity cannot be performed. Therefore, the measurement was performed in a vacuum of about 10 −2 Pa so that the heat quantity did not escape from the measurement jig / sample surface as much as possible.

室温下で、それぞれの試料のa軸方向について測定した特性を表1に示す。電気抵抗率・及びゼーベック係数にはランタン量を増やすに従って単調に減少する傾向が得られた。一方で熱伝導率については大きな変化は見られなかった。これらの結果より見積もることの出来る変換効率は最大で4.6×10-2程度であった。この値はランタンをドープしない材料と比較して約200倍であった。 Table 1 shows the characteristics measured for each sample in the a-axis direction at room temperature. There was a tendency for the electric resistivity and Seebeck coefficient to decrease monotonously as the amount of lanthanum increased. On the other hand, there was no significant change in thermal conductivity. The maximum conversion efficiency that can be estimated from these results was about 4.6 × 10 −2 . This value was about 200 times that of the material not doped with lanthanum.

実施例1と同様の方法でSr1.8La0.2Nb2O7を作製した。結晶軸a,b及びc軸方向に測定した熱伝導率κ、ゼーベック係数S、電気抵抗率ρの室温以下の温度依存性を図12に示す。いずれの特性も結晶軸によって大きな異方性を示すことを確認した。本実施例にて初めて明らかになったゼーベック係数も大きな異方性を示す事が確認された。具体的には、室温付近ではa軸方向に-210μV/K程度なのに対し、b軸方向では-60μV/K、c軸方向では-15μV/Kであることが判明した。すなわちゼーベック係数の異方性はa軸方向とb軸方向との間でΔS~150μV/K、a軸方向とc軸方向との間でΔS~100μV/Kであり、それぞれ大きな値を示すことが判明した。また熱伝導率及び電気抵抗率においてもゼーベック係数と同様に大きな異方性を示した。電気抵抗率及びゼーベック係数の温度依存性からSr1.8La0.2Nb2O7は半導体的性質を持つことが明らかとなった。また熱伝導率の温度依存性より、Laドーピングが結晶内の均一性を乱し、熱伝導を担うフォノンの散乱中心になっていると考えられる。 Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 was produced in the same manner as in Example 1. FIG. 12 shows the temperature dependence of the thermal conductivity κ, Seebeck coefficient S, and electrical resistivity ρ measured in the crystal axis a, b, and c axis directions at room temperature or lower. It was confirmed that all the characteristics showed large anisotropy depending on the crystal axis. It was confirmed that the Seebeck coefficient first revealed in the present example also showed large anisotropy. Specifically, it was found that it was about −210 μV / K in the a-axis direction near room temperature, -60 μV / K in the b-axis direction, and -15 μV / K in the c-axis direction. In other words, the anisotropy of the Seebeck coefficient is ΔS to 150 μV / K between the a-axis direction and the b-axis direction, and ΔS to 100 μV / K between the a-axis direction and the c-axis direction. There was found. Further, the thermal conductivity and electrical resistivity also showed large anisotropy similar to the Seebeck coefficient. From the temperature dependence of electrical resistivity and Seebeck coefficient, Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 was found to have semiconducting properties. From the temperature dependence of thermal conductivity, it is considered that La doping disturbs the uniformity in the crystal and becomes the phonon scattering center responsible for thermal conduction.

本発明の熱電変換材料Sr1.8La0.2Nb2O7の傾斜配向性薄膜をスパッタ法にて作製した。 A gradient oriented thin film of the thermoelectric conversion material Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 of the present invention was produced by sputtering.

基板は10mm角、厚さ500μmのSrTiO3単結晶であり、薄膜の結晶性も鑑みて面方位は(001)面から10°傾斜したものを使用した。この基板の上に直径4インチのSr1.8La0.2Nb2O7焼結体ターゲットを用いたRFマグネトロンスパッタリングにより薄膜作製を行った。 The substrate was a 10 mm square, 500 μm thick SrTiO 3 single crystal, and the plane orientation was 10 ° inclined from the (001) plane in consideration of the crystallinity of the thin film. A thin film was formed on this substrate by RF magnetron sputtering using a 4-inch diameter Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 sintered body target.

Arが99%、H2が1%の雰囲気ガスを1.0Paに保ち、出力100Wで1時間プレスパッタリングをした後、700℃に加熱した基板上にプレスパッタリングの時と同様の条件で5時間堆積を行い、その後2時間かけて室温まで冷やした結果、膜厚1μmの薄膜が得られた。 Pre-sputtering is performed for 1 hour at an output of 100 W with an atmosphere gas of 99% Ar and 1% H 2 at 1.0 Pa, and then deposited on a substrate heated to 700 ° C. for 5 hours under the same conditions as pre-sputtering. As a result of cooling to room temperature over 2 hours, a thin film having a thickness of 1 μm was obtained.

エネルギー分散型蛍光X線分析により、薄膜における組成比がほぼ所望の組成であることを確認した。また、X線回折による極点図測定により、Sr1.8La0.2Nb2O7のa軸は基板面に対して約12°傾斜していることがわかった。 It was confirmed by energy dispersive X-ray fluorescence analysis that the composition ratio in the thin film was almost the desired composition. In addition, pole figure measurement by X-ray diffraction revealed that the a-axis of Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 was inclined about 12 ° with respect to the substrate surface.

実施例2で作製したSr1.8La0.2Nb2O7の結晶を用いて、放射検出器を作製した。 Using the Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 crystal produced in Example 2, a radiation detector was produced.

まず図4に示すように、Sr1.8La0.2Nb2O7の結晶を精密切断機で切り出すことで、ab面内に4mm×0.5mm、c軸方向に1mm、傾斜角度αが45°の傾斜結晶片を得た。この傾斜結晶片の0.5mm×1mmの2面にチタン、金の順にスパッタ法により電極を作製した。 First, as shown in Fig. 4, by cutting the crystal of Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 with a precision cutting machine, it is 4 mm × 0.5 mm in the ab plane, 1 mm in the c-axis direction, and the inclination angle α is 45 ° A crystal piece was obtained. Electrodes were prepared on the two sides of this inclined crystal piece of 0.5 mm × 1 mm by sputtering in the order of titanium and gold.

次に傾斜結晶片を厚さ500μmの窒化アルミ板の上にアピエゾングリースを用いて固定し、図5に示すような放射検出器を作製した。   Next, the tilted crystal piece was fixed on an aluminum nitride plate having a thickness of 500 μm using Apiezon grease, and a radiation detector as shown in FIG. 5 was produced.

上記放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ(波長800-2000nm、パワー480mW)から発生させた電磁波を図5の入射光54と同様の向きから試料の中央部に入射させ(スポット径3mm)、電極間に発生する起電圧を測定することで、放射検出器の評価を行った。   Electromagnetic waves generated from an infrared lamp (wavelength 800-2000 nm, power 480 mW) are incident on the center of the sample from the same direction as the incident light 54 in FIG. 5 (spot diameter 3 mm) on the surface of the radiation detector. The radiation detector was evaluated by measuring the electromotive voltage generated between the electrodes.

デバイスにランプからの電磁波が入射していないときには、電極間の起電圧は発生しなかったが、デバイスに電磁波が入射すると、急激に増加し、定常的に約3.6mVの値を示した。ランプの入射をやめると、起電圧は発生しなくなった。以上の実験結果から、本実施例の放射検出器の感度は7.5mV/Wと見積もられた。   When the electromagnetic wave from the lamp was not incident on the device, no electromotive voltage was generated between the electrodes, but when the electromagnetic wave was incident on the device, it rapidly increased and showed a steady value of about 3.6 mV. When the incidence of the lamp was stopped, no electromotive voltage was generated. From the above experimental results, the sensitivity of the radiation detector of this example was estimated to be 7.5 mV / W.

非特許文献1に開示されているCaxCoO2薄膜では、480mWの電磁波に対して、110mVの起電力の発生が確認されており、感度は0.23mV/Wになる。従って、今回のSr2-xLaxNb2O7素子からなる放射検出器により、従来までのCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器と比較して、約32倍の感度向上が達成されたことになる。 In the Ca x CoO 2 thin film disclosed in Non-Patent Document 1, it has been confirmed that an electromotive force of 110 mV is generated for an electromagnetic wave of 480 mW, and the sensitivity is 0.23 mV / W. Therefore, the radiation detector consisting of this Sr 2-x La x Nb 2 O 7 element achieves a sensitivity improvement of about 32 times compared to the conventional radiation detector consisting of Ca x CoO 2 thin film element. That's right.

実施例3にて10mm角のSrTiO3単結晶基板上に膜厚1μmで作製したSr1.8La0.2Nb2O7薄膜の表面に電極を設け、図6と同様の構成の放射検出器を作製した。 In Example 3, an electrode was provided on the surface of a Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 thin film produced with a film thickness of 1 μm on a 10 mm square SrTiO 3 single crystal substrate, and a radiation detector having the same configuration as that of FIG. 6 was produced. .

2つの電極はタンタル、白金の順にスパッタ法で作製した。2つの電極の対向方向は、図5のようにSr1.8La0.2Nb2O7のa軸を薄膜表面に投影した時の向きに平行になるよう配置した。電極の大きさは1mm角とし、2つの電極間の距離は6mmとした。 The two electrodes were produced by sputtering in the order of tantalum and platinum. The opposing direction of the two electrodes was arranged to be parallel to the direction when the a-axis of Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 was projected onto the thin film surface as shown in FIG. The size of the electrode was 1 mm square, and the distance between the two electrodes was 6 mm.

上記放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ(波長800-2000nm、パワー480mW)から発生させた電磁波を図6の入射光65と同様の向きから試料の中央部に入射させ(スポット径5mm)、電極間に発生する起電圧を測定することで放射検出器の評価を行った。   Electromagnetic waves generated from an infrared lamp (wavelength 800-2000 nm, power 480 mW) are incident on the center of the sample from the same direction as the incident light 65 in FIG. 6 (spot diameter 5 mm) on the surface of the radiation detector. The radiation detector was evaluated by measuring the electromotive voltage generated between the electrodes.

放射検出器にランプからの電磁波が入射していないときには、電極間の起電圧は発生しなかったが、電磁波が入射すると起電圧は急激に増加し、定常的に約0.4mVの値を示した。ランプの入射をやめると、起電圧は発生しなくなった。以上の実験結果から、本実施例の放射検出器の感度は0.83mV/Wと見積もられた。これは非特許文献1のCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器と比較して約3倍の感度であった。 When the electromagnetic wave from the lamp was not incident on the radiation detector, no electromotive voltage was generated between the electrodes, but when the electromagnetic wave was incident, the electromotive voltage increased rapidly and showed a constant value of about 0.4 mV. . When the incidence of the lamp was stopped, no electromotive voltage was generated. From the above experimental results, it was estimated that the sensitivity of the radiation detector of this example was 0.83 mV / W. This was about three times as sensitive as the radiation detector composed of the Ca x CoO 2 thin film element of Non-Patent Document 1.

実施例1にて作製したSr1.8La0.2Nb2O7試料を用いて発電デバイスを作製した。 A power generation device was produced using the Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 sample produced in Example 1.

まず、図4に示すように、Sr1.8La0.2Nb2O7結晶を精密切断機で切り出すことで、ab面内に4mm×0.8mm、c軸方向に1mm、傾斜角度αが10°の傾斜結晶片を得た。この傾斜結晶片の1mm角の2面にチタン、金の順にスパッタ法により電極を作製した。 First, as shown in Fig. 4, by cutting out Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 crystal with a precision cutting machine, it is 4mm x 0.8mm in the ab plane, 1mm in the c-axis direction, tilt angle α is 10 ° A crystal piece was obtained. Electrodes were produced on two 1 mm square surfaces of the tilted crystal piece by sputtering in the order of titanium and gold.

厚さ1μmの窒化アルミでコーティングした銅製のヒートシンクを2個用いて傾斜積層体を挟み込んでアピエゾングリースによって固定し、図7に示すような発電デバイスを作製した。銅製のヒートシンクの内部には銅パイプが埋め込まれている。このパイプに冷水を流すことによりヒートシンクを冷却することができ、またパイプに温水を流すことによってヒートシンクを加熱することができる。   Using two copper heat sinks coated with 1 μm thick aluminum nitride, the inclined laminate was sandwiched and fixed with Apiezon grease to produce a power generation device as shown in FIG. A copper pipe is embedded inside the copper heat sink. The heat sink can be cooled by flowing cold water through the pipe, and the heat sink can be heated by flowing hot water through the pipe.

銅製ヒートシンクの一方に15℃の冷水を流し他方に65℃の温水を流すことによって、発電デバイスに温度差をつけたところ、電極間から最大0.4mWの電力を取り出すことができた。この値はランタンドーピングをしていない材料と比較して約30倍の値である。   By supplying 15 ° C cold water to one of the copper heat sinks and flowing 65 ° C hot water to the other, a temperature difference was created in the power generation device. As a result, a maximum power of 0.4 mW could be extracted from between the electrodes. This value is about 30 times that of a material not doped with lanthanum.

実施例1にて作製したSr1.8La0.2Nb2O7試料を6mm(a軸)×6mm(b軸)×1mm(c軸)サイズに成形した。この試料の表面にクロム、金の順にスパッタ法にて2対の電極(合計4個)を作製した。作製した電極は図8(a)、(b)に示したような配置であり、試料中央を介して対向した電極対(例えば、82aと82b)の対向方向が試料表面におけるa軸に対して45°傾斜している。こうして図8(a)、(b)に示したのと同様の放射検出器を得た。2つの電極配置位置の中心間の距離は5mmとした。ただし、この電極対の距離は用途や設置場所などに応じて最適化でき、5mmに限定されるものではない。 The Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 sample produced in Example 1 was molded into a size of 6 mm (a axis) × 6 mm (b axis) × 1 mm (c axis). Two pairs of electrodes (4 in total) were prepared on the surface of this sample in the order of chromium and gold by sputtering. The prepared electrodes are arranged as shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), and the opposing direction of the electrode pair (for example, 82a and 82b) facing through the center of the sample is relative to the a axis on the sample surface. It is inclined 45 °. Thus, a radiation detector similar to that shown in FIGS. 8A and 8B was obtained. The distance between the centers of the two electrode placement positions was 5 mm. However, the distance between the electrode pairs can be optimized according to the application and installation location, and is not limited to 5 mm.

上記放射検出器の表面の中央部に、表面からレーザー光(波長800nm、パワー225mW)を入射させ(スポット径5mm)、電極間に発生する起電力を測定した。2対の電極対のいずれに対しても、レーザー光が試料に入射していないときには起電力は観測されず、レーザー光が入射すると起電力は急激に増加し、定常的に約0.7mVの値を示した。この結果を元にSr1.8La0.2Nb2O7放射検出素子の感度を見積もると、3.1mV/Wが得られた。これは非特許文献1のCaxCoO2薄膜素子からなる放射検出器と比較して約13倍の感度であった。 Laser light (wavelength 800 nm, power 225 mW) was incident on the center of the surface of the radiation detector (spot diameter 5 mm), and the electromotive force generated between the electrodes was measured. For either of the two pairs of electrodes, no electromotive force is observed when the laser beam is not incident on the sample, and when the laser beam is incident, the electromotive force increases rapidly and is constantly about 0.7 mV. showed that. When the sensitivity of the Sr 1.8 La 0.2 Nb 2 O 7 radiation detector was estimated based on this result, 3.1 mV / W was obtained. This was about 13 times more sensitive than the radiation detector consisting of the Ca x CoO 2 thin film element of Non-Patent Document 1.

本発明にかかる異方的熱電材料は、結晶成長が比較的容易な層状構造に沿った方向に大きなゼーベック係数の異方性を有し、高感度の放射検出器や高い起電圧を有する発電デバイスの材料として有用である。   An anisotropic thermoelectric material according to the present invention has a large Seebeck coefficient anisotropy in a direction along a layered structure in which crystal growth is relatively easy, and a highly sensitive radiation detector and a power generation device having a high electromotive voltage It is useful as a material.

31 結晶配向薄膜
32 単結晶基板
33 a軸方向
34 基板面
41 板状の結晶
42 傾斜結晶片
51 第1電極
52 第2電極
53 放熱体
54 入射光
61 結晶配向薄膜
62 単結晶基板
63 第1電極
64 第2電極
65 入射光
71 傾斜結晶片
72 第1電極
73 第2電極
74 放熱体
75 集熱体
81 結晶片
82a 電極
82b 電極
83a 電極
83b 電極
84 光照射領域
111 測定試料
112 金電極
113 銀ペースト
114 上部リードバー
115 ヒーター
116 上部温度計
117 下部リードバー
118 下部温度計
119 熱浴
31 Crystalline orientation thin film 32 Single crystal substrate 33 A-axis direction 34 Substrate surface 41 Plate-like crystal 42 Inclined crystal piece 51 First electrode 52 Second electrode 53 Heat radiator 54 Incident light 61 Crystal orientation thin film 62 Single crystal substrate 63 First electrode 64 Second electrode 65 Incident light 71 Inclined crystal piece 72 First electrode 73 Second electrode 74 Radiator 75 Heat collector 81 Crystal piece 82a Electrode 82b Electrode 83a Electrode 83b Electrode 84 Light irradiation area 111 Measurement sample 112 Gold electrode 113 Silver paste 114 Upper lead bar 115 Heater 116 Upper thermometer 117 Lower lead bar 118 Lower thermometer 119 Heat bath

Claims (11)

c軸方向に4層のNbO6八面体からなるブロック層が積層された層状ペロブスカイト型の結晶構造を有するSr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料。 thermoelectric material containing Sr 2-x La x Nb 2 O 7 the block layer made of NbO 6 octahedra four layers in the c-axis direction has a crystal structure of the layered perovskite type which are stacked (x is 0.4 or less). a軸方向のゼーベック係数と、a軸に対して垂直方向のゼーベック係数との差の絶対値が100μV/K以上である、請求項1記載の熱電材料。 The thermoelectric material according to claim 1, wherein the absolute value of the difference between the Seebeck coefficient in the a-axis direction and the Seebeck coefficient in the direction perpendicular to the a-axis is 100 µV / K or more. 基板と、
前記基板上に配置され、a軸方向が前記基板表面に対して傾斜しているSr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)の熱電材料と、
を具備する熱電デバイス。
A substrate,
A thermoelectric material of Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less) disposed on the substrate and having an a-axis direction inclined with respect to the substrate surface;
A thermoelectric device comprising:
放熱体と、
前記放熱体上に配置され、a軸方向が前記基板表面に対して傾斜しているSr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料と、
前記熱電材料のc軸方向に垂直な方向で、かつ、前記基板表面と平行な方向において、前記熱電材料に挟むように対向して配置された第1電極および第2電極と、
を具備する放射検出器。
A radiator,
A thermoelectric material including Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less) disposed on the radiator and having an a-axis direction inclined with respect to the substrate surface;
In a direction perpendicular to the c-axis direction of the thermoelectric material and in a direction parallel to the substrate surface, a first electrode and a second electrode disposed to face each other so as to be sandwiched between the thermoelectric materials;
A radiation detector comprising:
前記第1電極および前記第2電極間には、前記熱電材料に入射された電磁波により、起電力が生じる、請求項4記載の放射検出器。 The radiation detector according to claim 4, wherein an electromotive force is generated between the first electrode and the second electrode by an electromagnetic wave incident on the thermoelectric material. 前記熱電材料の平均厚さが1mm以下である、請求項4記載の放射検出器。 The radiation detector according to claim 4, wherein an average thickness of the thermoelectric material is 1 mm or less. a軸方向が前記基板面に対して傾斜しているSr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料と、
前記熱電材料のc軸方向に垂直な方向で、かつ、前記基板表面と平行な方向において、前記熱電材料に挟むように対向して配置された第1電極および第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極とが対向する方向に垂直、かつ、前記熱電材料のc軸方向に垂直な方向において対向するように配置された集熱体および放熱体と、
を具備する発電デバイス。
a thermoelectric material containing Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less) whose a-axis direction is inclined with respect to the substrate surface;
In a direction perpendicular to the c-axis direction of the thermoelectric material and in a direction parallel to the substrate surface, a first electrode and a second electrode disposed to face each other so as to be sandwiched between the thermoelectric materials;
A heat collector and a radiator disposed so as to be perpendicular to a direction in which the first electrode and the second electrode face each other and in a direction perpendicular to a c-axis direction of the thermoelectric material;
A power generation device comprising:
前記熱電材料の平均厚さが10μm以上1mm以下である、請求項7記載の発電デバイス。 The power generation device according to claim 7, wherein an average thickness of the thermoelectric material is 10 μm or more and 1 mm or less. Sr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料と、
前記熱電材料上に、前記熱電材料の中央を介して対向する方向に配置され、前記対向する方向と前記熱電材料のa軸とが30度から60度の間の角度を有するように配置された第1電極および第2電極と、
を具備する放射検出器。
A thermoelectric material containing Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less);
The thermoelectric material is disposed in a direction facing each other through the center of the thermoelectric material, and the facing direction and the a-axis of the thermoelectric material are disposed at an angle between 30 degrees and 60 degrees. A first electrode and a second electrode;
A radiation detector comprising:
基板と、前記基板上に配置され、a軸方向が前記基板面に対して傾斜しているSr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料と、前記熱電材料のc軸方向に垂直な方向で、かつ、前記基板表面と平行な方向において、前記熱電材料に挟むように対向して配置された第1電極および第2電極と、を具備する放射検出器の前記熱電材料に対して電磁波を入射させ、
前記第1電極および前記第2電極との間の起電力を検出することで前記電磁波を検出する、放射検出方法。
A thermoelectric material including a substrate, Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less) disposed on the substrate and having an a-axis direction inclined with respect to the substrate surface; and a radiation detector comprising: a first electrode and a second electrode disposed opposite to each other so as to be sandwiched between the thermoelectric materials in a direction perpendicular to a c-axis direction and parallel to the substrate surface; Make electromagnetic waves incident on the thermoelectric material,
A radiation detection method for detecting the electromagnetic wave by detecting an electromotive force between the first electrode and the second electrode.
Sr2-xLaxNb2O7(xは0.4以下)を含む熱電材料と、
前記熱電材料上に、前記熱電材料の中央を介して対向する方向に配置され、前記対向する方向と前記熱電材料のa軸とが30度から60度の間の角度を有するように配置された第1電極および第2電極と、を具備する放射検出器の前記熱電材料に対して電磁波を入射させ、
前記第1電極および前記第2電極との間の起電力を検出することで前記電磁波を検出する、放射検出方法。
A thermoelectric material containing Sr 2-x La x Nb 2 O 7 (x is 0.4 or less);
The thermoelectric material is disposed in a direction facing each other through the center of the thermoelectric material, and the facing direction and the a-axis of the thermoelectric material are disposed at an angle between 30 degrees and 60 degrees. Incident electromagnetic waves to the thermoelectric material of the radiation detector comprising the first electrode and the second electrode,
A radiation detection method for detecting the electromagnetic wave by detecting an electromotive force between the first electrode and the second electrode.
JP2010115988A 2010-05-20 2010-05-20 Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same Pending JP2011243824A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010115988A JP2011243824A (en) 2010-05-20 2010-05-20 Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010115988A JP2011243824A (en) 2010-05-20 2010-05-20 Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011243824A true JP2011243824A (en) 2011-12-01

Family

ID=45410167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010115988A Pending JP2011243824A (en) 2010-05-20 2010-05-20 Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011243824A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2013114592A1 (en) * 2012-02-01 2015-05-11 富士通株式会社 Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
US9082551B2 (en) * 2011-05-19 2015-07-14 National Institute For Materials Science High dielectric nanosheet laminate, high dielectric element and method for producing the same
JP2015537191A (en) * 2012-10-02 2015-12-24 コヒレント, インコーポレイテッド Laser power and energy sensors using anisotropic thermoelectric materials
CN105705921A (en) * 2013-07-17 2016-06-22 相干公司 Laser power and energy sensor utilizing anisotropic thermoelectric material
US10424708B2 (en) 2013-04-11 2019-09-24 Fujitsu Limited Thermoelectric generator
CN110770549A (en) * 2017-06-23 2020-02-07 镭射点有限公司 Electromagnetic radiation fast detector
JP2020178058A (en) * 2019-04-19 2020-10-29 ハイソル株式会社 Layered material cleavage method

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9082551B2 (en) * 2011-05-19 2015-07-14 National Institute For Materials Science High dielectric nanosheet laminate, high dielectric element and method for producing the same
JPWO2013114592A1 (en) * 2012-02-01 2015-05-11 富士通株式会社 Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
JP2015537191A (en) * 2012-10-02 2015-12-24 コヒレント, インコーポレイテッド Laser power and energy sensors using anisotropic thermoelectric materials
USRE48028E1 (en) 2012-10-02 2020-06-02 Coherent, Inc. Laser power and energy sensor utilizing anisotropic thermoelectric material
US10424708B2 (en) 2013-04-11 2019-09-24 Fujitsu Limited Thermoelectric generator
US10873017B2 (en) 2013-04-11 2020-12-22 Fujitsu Limited Thermoelectric generator
CN105705921A (en) * 2013-07-17 2016-06-22 相干公司 Laser power and energy sensor utilizing anisotropic thermoelectric material
JP2016532103A (en) * 2013-07-17 2016-10-13 コヒレント, インコーポレイテッド Laser power and energy sensors using anisotropic thermoelectric materials
CN110770549A (en) * 2017-06-23 2020-02-07 镭射点有限公司 Electromagnetic radiation fast detector
CN110770549B (en) * 2017-06-23 2023-04-14 镭射点有限公司 Electromagnetic Radiation Fast Detector
JP2020178058A (en) * 2019-04-19 2020-10-29 ハイソル株式会社 Layered material cleavage method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3874365B2 (en) Thermoelectric conversion device, cooling method and power generation method using the same
JP2011243824A (en) Anisotropic thermoelectric material, and radiation detector and power generation device using the same
Scudder et al. Highly efficient transverse thermoelectric devices with Re 4 Si 7 crystals
JP4592826B2 (en) Radiation detector and radiation detection method
US8088989B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
Fu et al. Thermoelectric properties of DC-sputtered filled skutterudite thin film
Hou et al. The transverse thermoelectric effect in a-axis inclined oriented SnSe thin films
CN102047085B (en) Radiation detector and radiation detection method
CN109859916B (en) A Delta Temperature Zone Resistance Based on Rare Earth Nickel-Based Perovskite Compounds
JP2011181725A (en) Anisotropic thermoelectric material, radiation detector using the same, and power generation device
US11499871B2 (en) Detector of electromagnetic radiation
Symeou et al. Enhanced thermoelectric properties in vacuum-annealed Bi0. 5Sb1. 5Te3 thin films fabricated using pulsed laser deposition
CN100570916C (en) Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element using the same, and electronic equipment and cooling device having the same
Park et al. Construction of a Cantilever-Andreev-Tunneling rig and its applications to superconductors
EP4299516A1 (en) Nitride insulator material, method for manufacturing same, heat flow switching element and thermoelectric conversion element
Han et al. Superconducting-insulating phase transition in pressurized Ba 1− x K x BiO 3
Zhu et al. Thermoelectric properties of PbTe prepared at high pressure and hightemperature
Sun et al. Growth and thermoelectric properties of FeSb2 films produced by pulsed laser deposition
US6459031B1 (en) Thermoelectric compositions
Boonin et al. A study in thermoelectric effect of Eu2O3 substitution on Al2O3 in CuAl (100− x) Eu (x) O2
Zheng et al. Thermoelectric Properties of Al Doped ZnO Thin Films
Zhou et al. Thermoelectric properties and microstructure of SnTe-bi/sub 2/te/sub 3/alloys
Singh et al. Studies on Bi-Sr-Ca-Cu-O glasses and superconducting glass ceramics
Hayashi et al. Fabrication and evaluation of LaCrO3 thin film heaters
Abe et al. Highly crystalline superconducting MgB2 nanowires formed by electrodeposition