JP4900819B2 - Thermoelectric material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、熱電材料及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、ハーフホイスラー化合物を主成分とする熱電材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric material and a manufacturing method thereof, and more particularly to a thermoelectric material mainly composed of a half-Heusler compound and a manufacturing method thereof.
熱電変換とは、ゼーベック効果やペルチェ効果を利用して、電気エネルギーを冷却や加熱のための熱エネルギーに、また逆に熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することをいう。熱電変換は、
(1)エネルギー変換の際に余分な老廃物を排出しない、
(2)排熱の有効利用が可能である、
(3)材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる、
(4)モータやタービンのような可動装置が不要であり、メンテナンスの必要がない、
等の特徴を有していることから、エネルギーの高効率利用技術として注目されている。
Thermoelectric conversion refers to the direct conversion of electrical energy into thermal energy for cooling and heating, and conversely, thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect and Peltier effect. Thermoelectric conversion
(1) Do not discharge excess waste during energy conversion,
(2) Effective use of exhaust heat is possible.
(3) It can continuously generate power until the material deteriorates.
(4) No moving devices such as motors and turbines are required and maintenance is not required.
Therefore, it has been attracting attention as a highly efficient energy utilization technology.
熱エネルギと電気エネルギとを相互に変換できる材料、すなわち、熱電材料の特性を評価する指標としては、一般に、性能指数Z(=S2σ/κ、但し、S:ゼーベック係数、σ:電気伝導度、κ:熱伝導度)、又は、性能指数Zと、その値を示す絶対温度Tの積として表される無次元性能指数ZTが用いられる。ゼーベック係数は、1Kの温度差によって生じる起電力の大きさを表す。熱電材料は、それぞれ固有のゼーベック係数を持っており、ゼーベック係数が正であるもの(p型)と、負であるもの(n型)に大別される。 As an index for evaluating the characteristics of heat energy and electric energy, that is, the characteristics of the thermoelectric material, generally, the figure of merit Z (= S 2 σ / κ, where S: Seebeck coefficient, σ: electric conduction Degree, κ: thermal conductivity), or a dimensionless figure of merit ZT expressed as a product of the figure of merit Z and the absolute temperature T indicating the value. The Seebeck coefficient represents the magnitude of electromotive force generated by a temperature difference of 1K. Thermoelectric materials each have their own Seebeck coefficient, and are broadly classified into those having a positive Seebeck coefficient (p-type) and those having a negative Seebeck coefficient (n-type).
また、熱電材料は、通常、p型の熱電材料とn型の熱電材料とを接合した状態で使用される。このような接合対は、一般に、「熱電素子」と呼ばれている。熱電素子の性能指数は、p型熱電材料の性能指数Zp、n型熱電材料の性能指数Zn、並びに、p型及びn型熱電材料の形状に依存し、また、形状が最適化されている場合には、Zp及び/又はZnが大きくなるほど、熱電素子の性能指数が大きくなることが知られている。従って、性能指数の高い熱電素子を得るためには、性能指数Zp、Znの高い熱電材料を用いることが重要である。 The thermoelectric material is usually used in a state where a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are joined. Such a junction pair is generally called a “thermoelectric element”. The performance index of the thermoelectric element depends on the performance index Z p of the p- type thermoelectric material, the performance index Z n of the n-type thermoelectric material, and the shape of the p-type and n-type thermoelectric materials, and the shape is optimized If you are the greater the Z p and / or Z n, the figure of merit of the thermoelectric element increases is known. Therefore, in order to obtain a high figure of merit thermoelectric device, the figure of merit Z p, be used with high Z n thermoelectric material is important.
このような熱電材料としては、
(1)Bi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系等の化合物半導体、
(2)NaxCoO2(0.3≦x≦0.8)、(ZnO)mIn2O3(1≦m≦19)、Ca3Co4O9等のCo系酸化物セラミックス、
(3)Zn−Sb系、Co−Sb系、Fe−Sb系等のスクッテルダイト化合物、
(4)ZrNiSn等のハーフホイスラー化合物、などが知られている。
As such a thermoelectric material,
(1) Bi-Te-based, Pb-Te-based, Si-Ge-based compound semiconductors,
(2) Co-based oxide ceramics such as Na x CoO 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.8), (ZnO) m In 2 O 3 (1 ≦ m ≦ 19), Ca 3 Co 4 O 9 ,
(3) a skutterudite compound such as Zn—Sb, Co—Sb, or Fe—Sb,
(4) Half-Heusler compounds such as ZrNiSn are known.
これらの内、Bi−Te系、Pb−Te系の化合物半導体は、低温域では高いZTを示すが、中・高温域では使用できず、かつ、Pb、Te、Sb等の環境負荷の大きい元素を多量に含むという問題がある。また、Ge−Si系の化合物半導体は、600℃以下の中・低温域での特性が低い(ZT<0.5)。さらに、Co系酸化物セラミックスは、高温域でも使用でき、単結晶ではZT>1という報告もあるが、バルク材料では、ZT<0.5にとどまっている。 Among these, Bi-Te-based and Pb-Te-based compound semiconductors exhibit high ZT in the low temperature range, but cannot be used in the middle / high temperature range, and have a large environmental load such as Pb, Te, Sb, etc. There is a problem of containing a large amount. Further, Ge—Si-based compound semiconductors have low characteristics in the middle / low temperature range of 600 ° C. or lower (ZT <0.5). Further, Co-based oxide ceramics can be used even in a high temperature range, and there is a report that ZT> 1 in a single crystal, but ZT <0.5 in a bulk material.
スクッテルダイト化合物は、中・低温域において相対的に高い熱電特性を示すp型熱電材料である。また、ある種のスクッテルダイト化合物は、527℃(800K)においてZT>1となることが知られている。例えば、自動車の排ガス温度は約800Kであるので、このようなスクッテルダイト化合物を使用した熱電素子を用いれば、高効率の廃熱回収システムを得ることも可能になると期待されている。 The skutterudite compound is a p-type thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range. Further, it is known that certain skutterudite compounds have ZT> 1 at 527 ° C. (800 K). For example, since the exhaust gas temperature of an automobile is about 800 K, it is expected that a highly efficient waste heat recovery system can be obtained by using such a thermoelectric element using a skutterudite compound.
さらに、ハーフホイスラー化合物は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示すn型熱電材料である。ここで、「ハーフホイスラー化合物」とは、ホイスラー合金Cu2AlMnのCuサイト原子の半分が欠損した構造を持つ一連の化合物をいう。ハーフホイスラー化合物は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示すので、スクッテルダイト化合物と組み合わせて使用する相手材の候補材料の1つと考えられている。そのため、ハーフホイスラー化合物の組成に関し、従来から種々の提案がなされている。 Furthermore, the half-Heusler compound is an n-type thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle and low temperature regions. Here, the “half-Heusler compound” refers to a series of compounds having a structure in which half of the Cu site atoms of the Heusler alloy Cu 2 AlMn are lost. Since the half-Heusler compound exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range, it is considered as one of the candidate materials for the partner material to be used in combination with the skutterudite compound. Therefore, various proposals have conventionally been made regarding the composition of the half-Heusler compound.
例えば、特許文献1及び非特許文献1には、Zr0.5Hf0.5Ni1-xPdxSn0.99Sb0.01(x=0.2又は0.5)組成を有するハーフホイスラー化合物からなる熱電材料が開示されている。同文献には、
(1)Niの一部をPdで置換することによって、結晶格子中に質量欠陥が導入され、これによって格子の熱伝導度が低下する点、
(2)1at%のSbドープによって、電気比抵抗が小さくなる点、及び、
(3)Hf0.5Zr0.5Ni0.8Pd0.2Sn0.99Sb0.01組成を有するハーフホイスラー化合物の800Kにおける無次元性能指数ZTは、0.7(最大値)である点、
が記載されている。
For example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose thermoelectric materials made of a half-Heusler compound having a composition of Zr 0.5 Hf 0.5 Ni 1-x Pd x Sn 0.99 Sb 0.01 (x = 0.2 or 0.5). Has been. In the same document,
(1) By substituting part of Ni with Pd, mass defects are introduced into the crystal lattice, thereby reducing the thermal conductivity of the lattice;
(2) The electrical resistivity is reduced by 1 at% Sb doping, and
(3) The dimensionless figure of merit ZT at 800 K of a half-Heusler compound having a composition of Hf 0.5 Zr 0.5 Ni 0.8 Pd 0.2 Sn 0.99 Sb 0.01 is 0.7 (maximum value),
Is described.
また、非特許文献2には、Ti0.5(Zr0.5Hf0.5)0.5NiSn0.998Sb0.002組成を有するハーフホイスラー化合物からなる熱電材料が開示されている。同文献には、
(1)(Zr、Hf)サイトをTiで置換することによって熱伝導度が大きく低下し、ゼーベック係数も増加する点、
(2) SnサイトにSbをドープすることによって、電気伝導度が増加する点、及び、
(3) 700Kにおいて無次元性能指数ZTが1.5になる点、
が記載されている。
Non-Patent Document 2 discloses a thermoelectric material made of a half-Heusler compound having a composition of Ti 0.5 (Zr 0.5 Hf 0.5 ) 0.5 NiSn 0.998 Sb 0.002 . In the same document,
(1) The point that the (Zr, Hf) site is replaced with Ti greatly reduces the thermal conductivity and increases the Seebeck coefficient.
(2) Doping Sb at the Sn site increases the electrical conductivity, and
(3) The dimensionless figure of merit ZT becomes 1.5 at 700K,
Is described.
また、非特許文献3には、(ZrxHf1-x)0.7Ti0.3NiSn(x=0.3、0.4、0.5、0.6、0.7)組成を有するハーフホイスラー化合物からなる熱電材料が開示されている。同文献には、(Zr0.7Hf0.3)0.7Ti0.3NiSn組成において、800Kにおける無次元性能指数ZTが0.32(最大値)となる点が記載されている。
また、非特許文献4には、一般式:Zr1-x-yYxNbyNiSn(y−x=0.02、0.02≦y≦0.05)で表されるハーフホイスラー化合物からなる熱電材料が開示されている。同文献には、x=0(Zr0.98Nb0.02NiSn)において、573KでZTが最大値(0.34)になる点が記載されている。
さらに、特許文献2〜4には、急冷凝固法を用いて各種熱電材料を製造する方法が記載されている。また、特許文献2には、急冷凝固に用いるノズルとして石英ガラスを用いる点が記載されている。
Non-Patent Document 3 discloses a half-Heusler compound having a composition of (Zr x Hf 1-x ) 0.7 Ti 0.3 NiSn (x = 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 ). A thermoelectric material is disclosed. This document describes that in the (Zr 0.7 Hf 0.3 ) 0.7 Ti 0.3 NiSn composition, the dimensionless figure of merit ZT at 800 K is 0.32 (maximum value).
Further, Non-Patent Document 4, the general formula: thermoelectric consisting half-Heusler compound represented by Zr 1-xy Y x Nb y NiSn (y-x = 0.02,0.02 ≦ y ≦ 0.05) A material is disclosed. This document describes that when x = 0 (Zr 0.98 Nb 0.02 NiSn), ZT reaches the maximum value (0.34) at 573K.
Furthermore, Patent Documents 2 to 4 describe methods for producing various thermoelectric materials using a rapid solidification method. Patent Document 2 describes that quartz glass is used as a nozzle used for rapid solidification.
スクッテルダイト化合物からなるp型熱電材料を用いた熱電素子において、高い熱電変換効率を得るためには、中・低温域において高いZTを示す相手材(n型熱電材料)が必要である。熱電材料の実用化の目安は、ZT>1である。
しかしながら、従来のハーフホイスラー化合物では、ZT>1とするのは困難である。なお、非特許文献2には、700KにおけるZTが1.5であるハーフホイスラー化合物が記載されているが、非特許文献2の報告例は再現性に乏しく、現在の学会において、データの真偽が問われているのが現状である。
In a thermoelectric element using a p-type thermoelectric material made of a skutterudite compound, in order to obtain high thermoelectric conversion efficiency, a counterpart material (n-type thermoelectric material) exhibiting a high ZT in the middle / low temperature range is required. A guideline for practical use of thermoelectric materials is ZT> 1.
However, with conventional half-Heusler compounds, it is difficult to achieve ZT> 1. Note that Non-Patent Document 2 describes a half-Heusler compound having a ZT of 1.5 at 700K. However, the reported example of Non-Patent Document 2 has poor reproducibility, and in current academic societies, the authenticity of data is described. Is currently being questioned.
さらに、中・低温域において高い熱電特性を示すスクッテルダイト化合物の多くは、Sb等の環境負荷の大きい元素を多量に含むという問題がある。そのため、環境負荷の大きい元素の含有量が相対的に少なく、かつ、中・低温域で高い熱電特性を示すp型熱電材料が望まれている。 Furthermore, many of the skutterudite compounds exhibiting high thermoelectric properties in the middle / low temperature range have a problem of containing a large amount of elements having a large environmental load such as Sb. Therefore, there is a demand for a p-type thermoelectric material that has a relatively low content of elements with a large environmental load and that exhibits high thermoelectric properties in the middle / low temperature range.
また、一般に、溶融可能な材料に対して急冷凝固法を用いると、相の均一性の改善、粒の微細化などが可能となる。そのため、急冷凝固法は、合金系材料の合成に利用されている。熱電材料の合成過程においても、急冷凝固法を用いることで、熱電性能が向上することが報告されている(特許文献2〜4参照)。急冷凝固法においては、一般にガラスノズルが用いられる(特許文献2参照)。しかしながら、急冷凝固法を用いて熱電材料を製造する場合において、ノズルの材質と熱電特性との因果関係が検討された例は、従来にはない。 In general, when a rapid solidification method is used for a meltable material, it is possible to improve the uniformity of the phase, refine the grain size, and the like. Therefore, the rapid solidification method is used for the synthesis of alloy materials. It has been reported that the thermoelectric performance is improved by using the rapid solidification method in the process of synthesizing the thermoelectric material (see Patent Documents 2 to 4). In the rapid solidification method, a glass nozzle is generally used (see Patent Document 2). However, in the case of producing a thermoelectric material using the rapid solidification method, there has never been an example in which the causal relationship between the nozzle material and the thermoelectric characteristics has been studied.
本発明が解決しようとする課題は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示す熱電材料及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、中・低温域で相対的に高い熱電特性を示し、しかも、環境負荷の大きい元素の含有量が相対的に少ない熱電材料を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、不純物の混入に起因する熱電特性の劣化の少ない熱電材料の製造方法、及びこれを用いて得られる熱電材料を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material exhibiting relatively high thermoelectric properties in the middle / low temperature range and a method for producing the same.
In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a thermoelectric material that exhibits relatively high thermoelectric properties in the middle and low temperature ranges and that has a relatively low content of elements with a large environmental load. is there.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a thermoelectric material with little deterioration in thermoelectric properties due to the mixing of impurities, and a thermoelectric material obtained using the method.
上記課題を解決するために本発明に係る熱電材料は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを要旨とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記AgAsMg型結晶構造の3つのサイトの内、少なくとも2つのサイトには、それぞれ、価電子数の異なる2種以上の原子を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物中のO濃度([O])及びSi濃度([Si])は、次の(a)式を満たす。
2.5≦3.305−5.10[O]−0.540[Si] ・・・(a)
(5) 前記ハーフホイスラー化合物中のO濃度は、0.10at%以下であり、Si濃度は、0.10at%以下である。
(6) 前記熱電材料は、不活性ガス雰囲気下において600℃以上で加熱された窒化ホウ素製ノズルを用いて、前記ハーフホイスラー化合物の溶湯を急冷凝固させることにより得られるものからなる。
また、本発明に係る熱電材料の製造方法は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記熱電材料の製造方法は、
本発明に係るハーフホイスラー化合物となるように配合された原料を溶解する溶解工程と、
該溶解工程で得られた溶湯を急冷凝固させる急冷工程と、
を備え、
前記急冷工程は、窒化ホウ素製ノズルを用いて前記溶湯を冷却媒体に噴霧又は滴下するものからなる。
(2)前記窒化ホウ素製ノズルは、不活性ガス雰囲気下において600℃以上で加熱することにより得られるものである。
In order to solve the above-described problems, the thermoelectric material according to the present invention includes a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) In the half-Heusler compound, at least two of the three sites of the AgAsMg type crystal structure each include two or more kinds of atoms having different valence electrons.
(4) The O concentration ([O]) and the Si concentration ([Si]) in the half-Heusler compound satisfy the following formula (a).
2.5 ≦ 3.305-5.10 [O] −0.540 [Si] (a)
(5) The O concentration in the half-Heusler compound is 0.10 at% or less, and the Si concentration is 0.10 at% or less.
(6) The thermoelectric material is obtained by rapidly cooling and solidifying the molten metal of the half-Heusler compound using a boron nitride nozzle heated at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere.
Moreover, the manufacturing method of the thermoelectric material which concerns on this invention makes it a summary to have the following structures.
(1) The manufacturing method of the thermoelectric material is as follows:
A dissolution step of dissolving the raw materials formulated to be a half-Heusler compound according to the present invention;
A rapid cooling step for rapidly solidifying the molten metal obtained in the melting step;
With
The quenching step includes spraying or dripping the molten metal onto a cooling medium using a boron nitride nozzle.
(2) pre-SL made of boron nozzle nitride, than is also obtained by heating at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere.
ハーフホイスラー化合物において、原子当たりの価電子数が6に維持されるように、少なくとも2つのサイトを占める原子の一部を価電子数の異なる原子で置換すると、キャリアの移動度を低下させることなく、熱伝導度κを小さくし、かつ、ゼーベック係数Sを大きくすることができる。
また、所定の組成を有するハーフホイスラー化合物を急冷凝固法を用いて製造する場合において、従来一般に用いられている石英ノズルを用いると、主成分中に含まれる元素が石英ノズルと反応する。その結果、ハーフホイスラー化合物の組成ずれが発生する。また、石英管との反応により、ケイ素と酸素が混入し、熱電特性を低下させる。
これに対し、急冷凝固用のノズルとして窒化ホウ素製ノズルを用いると、構成元素とノズルとの反応が抑制される。特に、予め不活性ガス雰囲気下において600℃以上で加熱した窒化ホウ素製ノズルを用いると、意図しない不純物の混入を最小限に抑制することができる。そのため、仕込み組成を反映した熱電材料が得られる。また、不純物の混入を最小限に抑制することができるので、熱電特性及びその再現性も向上する。
In a half-Heusler compound, when a part of atoms occupying at least two sites is replaced with an atom having a different valence electron number so that the number of valence electrons per atom is maintained at 6, the mobility of carriers does not decrease. The thermal conductivity κ can be reduced and the Seebeck coefficient S can be increased.
In addition, when a half-Heusler compound having a predetermined composition is manufactured using a rapid solidification method, when a conventionally used quartz nozzle is used, an element contained in the main component reacts with the quartz nozzle. As a result, a composition shift of the half-Heusler compound occurs. In addition, due to the reaction with the quartz tube, silicon and oxygen are mixed and the thermoelectric properties are deteriorated.
On the other hand, when a boron nitride nozzle is used as the rapid solidification nozzle, reaction between the constituent elements and the nozzle is suppressed. In particular, when a boron nitride nozzle heated in advance in an inert gas atmosphere at 600 ° C. or higher is used, it is possible to suppress unintended impurity contamination to a minimum. Therefore, a thermoelectric material reflecting the charged composition can be obtained. Moreover, since contamination with impurities can be suppressed to a minimum, thermoelectric characteristics and reproducibility are also improved.
以下に本発明の一実施の形態につて詳細に説明する。
[1. 熱電材料(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る熱電材料は、以下の構成を備えたハーフホイスラー化合物を含むことを特徴とする。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記AgAsMg型結晶構造の3つのサイトの内、少なくとも2つのサイトには、それぞれ、価電子数の異なる2種以上の原子を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物中のO濃度([O])及びSi濃度([Si])は、次の(a)式を満たす。
2.5≦3.305−5.10[O]−0.540[Si] ・・・(a)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Thermoelectric material (1)]
The thermoelectric material according to the first embodiment of the present invention is characterized by including a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) In the half-Heusler compound, at least two of the three sites of the AgAsMg type crystal structure each include two or more kinds of atoms having different valence electrons.
(4) The O concentration ([O]) and the Si concentration ([Si]) in the half-Heusler compound satisfy the following formula (a).
2.5 ≦ 3.305-5.10 [O] −0.540 [Si] (a)
[1.1. 結晶構造]
図1に、AgAsMg型結晶構造の単位胞の模式図を示す。ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型結晶構造(空間群F43m)を有し、一般式:XYZで表される。X原子及びZ原子は、それぞれ、4a(0、0、0)サイト(以下、単に「4aサイト」という。)及び4b(1/2、1/2、1/2)サイト(以下、単に、「4bサイト」という。)に位置しており、X原子及びZ原子は岩塩構造を形成している。Y原子は、八面体状に配位したポケット(X原子及びZ原子で構成される立方体の中心)、すなわち、4c(1/4、1/4、1/4)サイト(以下、単に「4cサイト」という。)に位置している。他のポケット、すなわち、4d(3/4、3/4、3/4)サイト(以下、単に「4dサイト」という。)は、空になっている。
[1.1. Crystal structure]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a unit cell of an AgAsMg type crystal structure. The half-Heusler compound has an AgAsMg type crystal structure (space group F43m) and is represented by a general formula: XYZ. The X atom and the Z atom are respectively a 4a (0, 0, 0) site (hereinafter simply referred to as “4a site”) and a 4b (1/2, 1/2, 1/2) site (hereinafter simply referred to as “4a site”). It is located at “4b site”), and the X and Z atoms form a rock salt structure. Y atom is an octahedrally coordinated pocket (center of a cube composed of X atom and Z atom), that is, 4c (1/4, 1/4, 1/4) site (hereinafter simply referred to as “4c Site "). The other pockets, that is, 4d (3/4, 3/4, 3/4) sites (hereinafter simply referred to as “4d sites”) are empty.
[1.2. 価電子数]
本実施の形態に係るハーフホイスラー化合物において、原子当たりの価電子数は、6である。原子当たりの価電子数が6(又は、総価電子数が18)であるハーフホイスラー化合物は、半導体的特性を示し、適度な大きさのゼーベック係数Sと電気抵抗率ρを持つことが知られている。
なお、ハーフホイスラー化合物XYZは、X:Y:Z=1:1:1の化合物であるので、原子当たりの価電子数#eは、次の(1)式で表される。
#e=(#eX+#eY+#eZ)/3 ・・・(1)
ここで、#eX、#eY及び#eZは、それぞれ、X原子、Y原子及びZ原子の価電子数である。また、各サイトが複数種類の原子で占められている場合には、#eX、#eY及び#eZは、それぞれ、各サイトを占める原子の平均の価電子数である。
[1.2. Number of valence electrons]
In the half-Heusler compound according to the present embodiment, the number of valence electrons per atom is 6. Half-Heusler compounds with 6 valence electrons per atom (or 18 total valence electrons) are known to exhibit semiconducting properties and have moderately large Seebeck coefficient S and electrical resistivity ρ. ing.
Since the half-Heusler compound XYZ is a compound of X: Y: Z = 1: 1: 1, the number of valence electrons #e per atom is represented by the following formula (1).
#E = (# e X + # e Y + # e Z) / 3 ··· (1)
Here, #e X , #e Y, and #e Z are the valence electron numbers of the X atom, the Y atom, and the Z atom, respectively. When each site is occupied by a plurality of types of atoms, #e X , #e Y, and #e Z are the average number of valence electrons of the atoms occupying each site.
また、本発明において、「価電子数」とは、化学結合に寄与する電子の数をいう。次の表1に、各原子の価電子数を示す。 In the present invention, the “valence electron number” means the number of electrons contributing to the chemical bond. Table 1 below shows the number of valence electrons of each atom.
[1.3. 構成元素]
本発明に係るハーフホイスラー化合物は、上述した3つのサイトの内、少なくとも2つのサイトには、それぞれ、価電子数の異なる2種以上の原子を含むことを特徴とする。
具体的には、
(1) 4aサイト又は4bサイトのいずれか一方に、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が5である1種又は2種以上の原子とを含み、
他方のサイトに、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が3である1種又は2種以上の原子とを含み、
4cサイトに価電子数が10である1種又は2種以上の原子を含む場合、
(2) 4aサイト又は4bサイトのいずれか一方に、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が5である1種又は2種以上の原子とを含み、
他方のサイトに、価電子数が4である1種又は2種以上の原子を含み、
4cサイトに、価電子数が10である1種又は2種以上の原子と、価電子数が9である1種又は2種以上の原子を含む場合、
(3) 4aサイト又は4bサイトのいずれか一方に、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が5である1種又は2種以上の原子と、価電子数が3である1種又は2種以上の原子を含み、
他方のサイトに、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が3である1種又は2種以上の原子と、価電子数が5である1種又は2種以上の原子とを含み、
4cサイトに、価電子数が10である1種又は2種以上の原子をむ場合、
(4) 4aサイト及び4bサイトの双方に、価電子数が4である1種又は2種以上の原子と、価電子数が5である1種又は2種以上の原子とを含み、
4cサイトに、価電子数が10である1種又は2種以上の原子と、価電子数が8である1種又は2種以上の原子を含む場合、
などがこれに該当する。
[1.3. Constituent elements]
The half-Heusler compound according to the present invention is characterized in that at least two of the three sites described above contain two or more atoms having different valence electrons.
In particular,
(1) Either one of the 4a site or the 4b site includes one or more atoms having 4 valence electrons and one or more atoms having 5 valence electrons,
The other site contains one or more atoms having 4 valence electrons and one or more atoms having 3 valence electrons,
When the 4c site contains one or more atoms having 10 valence electrons,
(2) Either one of the 4a site or the 4b site includes one or more atoms having a valence number of 4 and one or more atoms having a valence number of 5;
The other site contains one or more atoms having 4 valence electrons,
When the 4c site contains one or more atoms having 10 valence electrons and one or more atoms having 9 valence electrons,
(3) One or two or more atoms having 4 valence electrons, 1 or 2 or more atoms having 5 valence electrons, and valence electrons on either the 4a site or the 4b site Including one or more atoms having a number of 3,
On the other site, one or more atoms having 4 valence electrons, one or more atoms having 3 valence electrons, and one or 2 atoms having 5 valence electrons Containing more than species of atoms,
When one or more atoms having 10 valence electrons are included in the 4c site,
(4) Both the 4a site and the 4b site include one or more atoms having 4 valence electrons and one or more atoms having 5 valence electrons,
When the 4c site contains one or more atoms having 10 valence electrons and one or more atoms having 8 valence electrons,
This is the case.
各サイトに占める原子の種類は、特に限定されるものではなく、上述した条件を満たすものである限り、任意に選択することができる。その中でも、以下のような元素、及び、これらの組み合わせが特に好ましい。 The type of atoms occupying each site is not particularly limited, and can be arbitrarily selected as long as the above-described conditions are satisfied. Among these, the following elements and combinations thereof are particularly preferable.
すなわち、4aサイトの構成元素Xは、IIIa族(21Sc、39Y)、IVa族(22Ti、40Zr、72Hf)、Va族(23V、41Nb、73Ta)、及び、希土類元素(57La〜71Lu)から選ばれる1種以上の元素が好ましい。
また、4cサイトの構成元素Yは、VIIIa族(26Fe、27Co、28Ni、44Ru、45Rh、46Pd、76Os、77Ir、78Pt)及びIb族(29Cu、47Ag、79Au)から選ばれる1種以上の元素が好ましい。
さらに、4bサイトの構成元素Zは、IIIb族(5B、13Al、31Ga、49In、81Tl)、IVb族(6C、14Si、32Ge、50Sn、82Pb)及びVb族(7N、15P、33As、51Sb、83Bi)から選ばれる1種以上の元素が好ましい。
なお、4aサイトと4bサイトは、等価である。従って、上述した組み合わせに変えて、4bサイトの構成元素ZがIIIa族、IVa族、Va族及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素であり、4aサイトの構成元素XがIIIb族、IVb族及びVb族から選ばれる1種以上の元素であっても良い。
また、IVb族元素の内、Siは、4aサイト又は4bサイトに入らずに、粒界に偏在することが多い。従って、本発明においては、Si量は、後述する量以下に制限される。
That is, the constituent element X of the 4a site includes group IIIa ( 21 Sc, 39 Y), group IVa ( 22 Ti, 40 Zr, 72 Hf), group Va ( 23 V, 41 Nb, 73 Ta), and rare earth elements One or more elements selected from ( 57 La to 71 Lu) are preferred.
Further, the constituent element Y of the 4c site includes group VIIIa ( 26 Fe, 27 Co, 28 Ni, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 76 Os, 77 Ir, 78 Pt) and group Ib ( 29 Cu, 47 Ag, 79 One or more elements selected from Au) are preferred.
Furthermore, constituent elements Z of 4b sites, IIIb group (5 B, 13 Al, 31 Ga, 49 In, 81 Tl), IVb group (6 C, 14 Si, 32 Ge, 50 Sn, 82 Pb) and Group Vb One or more elements selected from ( 7 N, 15 P, 33 As, 51 Sb, 83 Bi) are preferred.
The 4a site and the 4b site are equivalent. Therefore, instead of the combination described above, the constituent element Z of the 4b site is one or more elements selected from the group IIIa, IVa group, Va group and rare earth element, and the constituent element X of the 4a site is the group IIIb, group IVb And one or more elements selected from the group Vb.
Of the IVb group elements, Si is often unevenly distributed at grain boundaries without entering the 4a site or the 4b site. Therefore, in the present invention, the amount of Si is limited to the amount described below or less.
これらの中でも、4cサイトの構成元素Yは、Ni及び/又はCoが好ましい。4cサイトにNi及び/又はCoを含むハーフホイスラー化合物は、相対的に高い熱電特性を示す。
また、4bサイトの構成元素Z又は4aサイトの構成元素Xのいずれか一方は、Sn及び/又はSbが好ましい。4bサイト又は4aサイトのいずれか一方にSn及び/又はSbを含むハーフホイスラー化合物は、相対的に高い熱電特性を示す。
さらに、4aサイトの構成元素X又は4bサイトの構成元素Zのいずれか一方は、Ti、Zr及び/又はHfが好ましい。4aサイト又は4bサイトのいずれか一方にTi、Zr及び/又はHfを含むハーフホイスラー化合物は、相対的に高い熱電特性を示す。
Among these, the constituent element Y of the 4c site is preferably Ni and / or Co. Half-Heusler compounds containing Ni and / or Co at the 4c site exhibit relatively high thermoelectric properties.
Moreover, Sn and / or Sb are preferable as either the constituent element Z of the 4b site or the constituent element X of the 4a site. A half-Heusler compound containing Sn and / or Sb at either the 4b site or the 4a site exhibits relatively high thermoelectric properties.
Furthermore, Ti, Zr, and / or Hf are preferable as either the constituent element X of the 4a site or the constituent element Z of the 4b site. The half-Heusler compound containing Ti, Zr and / or Hf at either the 4a site or the 4b site exhibits relatively high thermoelectric properties.
また、ハーフホイスラー化合物は、環境に対する負荷の大きな元素の含有量が少ないほど良い。環境負荷の大きな元素としては、具体的には、Cd、Hg、Tl、Pb、As、Se、Te、Sb等がある。
これらの内、Cd、Hg、Tl、Pb、As、Se及びTeは、環境に対する負荷が極めて大きいので、これらの濃度は、それぞれ、ハーフホイスラー化合物を構成する全原子の0.1at%以下が好ましい。
一方、Sbは、Cd等に比べて環境に対する負荷が小さいので、Sbの濃度は、ハーフホイスラー化合物を構成する全原子の5at%以下が好ましい。
In addition, the half-Heusler compound is better as the content of an element with a larger environmental load is smaller. Specific examples of elements having a large environmental load include Cd, Hg, Tl, Pb, As, Se, Te, and Sb.
Among these, since Cd, Hg, Tl, Pb, As, Se, and Te have a very large environmental load, their concentration is preferably 0.1 at% or less of all atoms constituting the half-Heusler compound. .
On the other hand, Sb has a smaller load on the environment than Cd or the like, so the concentration of Sb is preferably 5 at% or less of all atoms constituting the half-Heusler compound.
各サイトに占める価電子数の異なる原子の比率は、特に限定されるものではなく、任意に選択することができる。ここで、各サイトに占める価電子数の異なる原子の内、該当するサイトに占める全原子に対するその原子の割合が50at%以下であるものを、「少数派原子」と定義する。少数派原子の割合は、50at%でも良いが、一般に、少数派原子の割合が50at%に近づくにつれて、熱電特性は低下する傾向がある。これは、イオン半径の違いから、固溶せずに異相分離しやすく、これによって電気伝導度が低下するためと考えられる。
高い熱電特性を得るためには、少数派原子の割合は、20at%以下が好ましく、さらに好ましくは、10at%以下である。
一方、少数派原子の割合が少なくなりすぎると、後述する諸効果が得られなくなり、かえって熱電特性は低下する。従って、少数派原子の割合は、0.1at%以上が好ましい。
The ratio of atoms having different valence electrons in each site is not particularly limited, and can be arbitrarily selected. Here, of the atoms having different valence electrons in each site, those having a ratio of the atoms with respect to all atoms in the corresponding site of 50 at% or less are defined as “minority atoms”. The proportion of minority atoms may be 50 at%, but generally the thermoelectric properties tend to decrease as the proportion of minority atoms approaches 50 at%. This is presumably because of the difference in ionic radius, it is easy to separate the different phases without dissolving them, and the electrical conductivity is thereby reduced.
In order to obtain high thermoelectric properties, the proportion of minority atoms is preferably 20 at% or less, and more preferably 10 at% or less.
On the other hand, if the proportion of the minority atom is too small, the effects described later cannot be obtained, and the thermoelectric characteristics deteriorate. Accordingly, the proportion of minority atoms is preferably 0.1 at% or more.
上述した各種の条件を満たすハーフホイスラー化合物には、種々の組成を有するものが含まれる。これらの中でも、上述した諸条件に加えて、以下の条件をさらに満たすハーフホイスラー化合物は、高い熱電特性を示す。
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、一般式:A1-xBx(0.001≦x≦0.5)で表される。
(2) 前記化合物Aは、前記AgAsMg型結晶構造を有し、かつ、原子当たりの価電子数が6であるハーフホイスラー化合物からなる。
(3) 前記化合物Bは、前記AgAsMg型結晶構造を有し、かつ、原子当たりの価電子数が6であるハーフホイスラー化合物からなる。
(4) 前記化合物Bの各サイトには、それぞれ、価電子数の等しい1又は2以上の原子のみを含む。
(5) 前記化合物Aは、少なくとも2つのサイトにおいて、前記化合物Bとは価電子数が異なる元素を含む。
The half-Heusler compounds that satisfy the various conditions described above include those having various compositions. Among these, in addition to the various conditions described above, a half-Heusler compound that further satisfies the following conditions exhibits high thermoelectric properties.
(1) The half-Heusler compound is represented by a general formula: A 1-x B x (0.001 ≦ x ≦ 0.5).
(2) The compound A is a half-Heusler compound having the AgAsMg type crystal structure and having 6 valence electrons per atom.
(3) The compound B is composed of a half-Heusler compound having the AgAsMg type crystal structure and having 6 valence electrons per atom.
(4) Each site of the compound B contains only one or more atoms having the same number of valence electrons.
(5) The compound A includes an element having a valence electron number different from that of the compound B at at least two sites.
なお、「一般式:A1-xBx」は、化合物Aと化合物Bとが固溶体を形成していることを意味する。また、化合物Aは、少なくとも原子当たりの価電子数が6であれば良く、各サイトを占める元素の種類は、特に限定されるものではない。すなわち、化合物Aの各サイトには、それぞれ、価電子数の等しい1又は2以上の原子のみを含むものであっても良く、あるいは、1又は2以上のサイトにおいて、価電子数の異なる1又は2以上の原子を含むものであっても良い。さらに、少数派原子を含む化合物Bの含有量xの上限は、0.2以下が好ましく、さらに好ましくは、0.1以下である点、及び、化合物Bの含有量xの下限は、0.001以上が好ましい点は、上述した通りである。 The “general formula: A 1-x B x ” means that the compound A and the compound B form a solid solution. Moreover, the compound A should just have the valence electron number per atom at least 6, and the kind of element which occupies each site is not specifically limited. That is, each site of compound A may contain only one or two or more atoms having the same number of valence electrons, or one or two different valence electrons at one or more sites. It may contain two or more atoms. Furthermore, the upper limit of the content x of the compound B containing a minority atom is preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less, and the lower limit of the content x of the compound B is 0.00. The point where 001 or more is preferable is as described above.
化合物Bの第1の具体例は、一般式:RNiSb(但し、R=Sc、Y及び/又は希土類元素(La〜Lu))で表されるハーフホイスラー化合物である。
この場合、化合物Bと組み合わせて使用する化合物Aとしては、具体的には、
(Ti1-x-yZrxHfy)NiSn(0≦x≦1、0≦y≦1)などがある。
A first specific example of compound B is a half-Heusler compound represented by the general formula: RNiSb (where R = Sc, Y and / or rare earth elements (La to Lu)).
In this case, as the compound A used in combination with the compound B, specifically,
(Ti 1-xy Zr x Hf y ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
化合物Bの第2の具体例は、一般式:NbR'Sn(但し、R'=Co及び/又はRh)で表されるハーフホイスラー化合物である。
この場合、化合物Bと組み合わせて使用する化合物Aとしては、具体的には、
(Ti1-x-yZrxHfy)NiSn(0≦x≦1、0≦y≦1)などがある。
A second specific example of compound B is a half-Heusler compound represented by the general formula: NbR′Sn (where R ′ = Co and / or Rh).
In this case, as the compound A used in combination with the compound B, specifically,
(Ti 1-xy Zr x Hf y ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
化合物Bの第3の具体例は、ScCuSnからなるハーフホイスラー化合物である。
この場合、ScCuSnと組み合わせて使用する化合物Aとしては、具体的には、
(Ti1-x-yZrxHfy)NiSn(0≦x≦1、0≦y≦1)などがある。
A third specific example of compound B is a half-Heusler compound made of ScCuSn.
In this case, as the compound A used in combination with ScCuSn, specifically,
(Ti 1-xy Zr x Hf y ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
化合物Bの第4の具体例は、TiCoSbからなるハーフホイスラー化合物である。
この場合、TiCoSbと組み合わせて使用する化合物Aとしては、具体的には、
(Ti1-x-yZrxHfy)NiSn(0≦x≦1、0≦y≦1)などがある。
A fourth specific example of compound B is a half-Heusler compound made of TiCoSb.
In this case, as compound A used in combination with TiCoSb, specifically,
(Ti 1-xy Zr x Hf y ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
化合物Bの第5の具体例は、TiRhAsからなるハーフホイスラー化合物である。
この場合、TiRhAsと組み合わせて使用する化合物Aとしては、具体的には、
(Ti1-x-yZrxHfy)NiSn(0≦x≦1、0≦y≦1)などがある。
A fifth specific example of compound B is a half-Heusler compound made of TiRhAs.
In this case, as compound A used in combination with TiRhAs, specifically,
(Ti 1-xy Zr x Hf y ) NiSn (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1).
これらの中でも、RNiSbは、XNiSn(X=Ti、Zr、Hf)等からなる化合物Aと組み合わせて使用することによって、相対的に高い熱電特性が得られるので、化合物Bとして特に好適である。一方、TiRhAsは、XNiSn(X=Ti、Zr、Hf)等からなる化合物Aと組み合わせることによって相対的に高い熱電特性が得られるが、環境に対する負荷の大きいAsを含んでいる点で好ましくない。 Among these, RNiSb is particularly suitable as the compound B because it has relatively high thermoelectric properties when used in combination with the compound A composed of XNiSn (X = Ti, Zr, Hf) or the like. On the other hand, TiRhAs can obtain relatively high thermoelectric characteristics by combining with compound A composed of XNiSn (X = Ti, Zr, Hf) or the like, but is not preferable in that it contains As with a large environmental load.
本発明において、熱電材料を構成するハーフホイスラー化合物は、少なくとも5種類の元素(X原子、Y原子及びZ原子、並びに、少なくともこれらの2つを置換する少数派原子)を含んでいるが、これらの元素は、化合物全体に渡って、均一に分散していることが好ましい。ここで、「均一に分散している」とは、2°/min以下のスキャン速度、0.02°以下のステップの条件下でX線回折を行ったときに、主要な回折ピーク(少なくとも、最大の回折ピーク)の分離が認められない程度の均一性をいう。また、EDXで面分析した場合に、10μm以下の領域において組成の均一性が保たれているのが好ましい。各元素は、原子レベルで均一に分散していても良く、あるいは、規則的に配列していても良い。特に、少数派原子がクラスタを構成しているハーフホイスラー化合物は、高い熱電特性を示す。 In the present invention, the half-Heusler compound constituting the thermoelectric material contains at least five kinds of elements (X atom, Y atom and Z atom, and a minority atom substituting at least two of these elements). These elements are preferably dispersed uniformly throughout the compound. Here, “uniformly dispersed” means that when X-ray diffraction is performed under the conditions of a scan speed of 2 ° / min or less and a step of 0.02 ° or less, a major diffraction peak (at least, Uniformity to the extent that no separation of the maximum diffraction peak is observed. Further, when surface analysis is performed by EDX, it is preferable that the uniformity of the composition is maintained in a region of 10 μm or less. Each element may be uniformly dispersed at the atomic level, or may be regularly arranged. In particular, a half-Heusler compound in which a minority atom constitutes a cluster exhibits high thermoelectric properties.
[1.4. 不純物量]
本発明において、ハーフホイスラー化合物中のO濃度([O](at%))及びSi濃度([Si](at%))は、次の(a)式を満たすことを特徴とする。
2.5≦3.305−5.10[O]−0.540[Si] ・・・(a)
本実施の形態に係る熱電材料は、上述したハーフホイスラー化合物のみからなることが望ましいが、不可避的に含まれる不純物が含まれていても良い。但し、熱電特性に悪影響を与える不純物は、少ない方が好ましい。
不純物の中でも、Oは、熱電特性に与える影響が大きい。また、IVb族元素の中でもSiは、4aサイト又は4bサイトに入らずに、粒界に偏在することが多い。粒界に偏在するSiは、熱電特性を低下させる原因となる。従って、ハーフホイスラー化合物中のO濃度及びSi濃度は、(a)式を満たすことが好ましい。
なお、(a)式は、測定温度500℃における出力因子(PF)と、試料中に含まれるO濃度(at%)及びSi濃度(at%)を用いて、重回帰分析により求めることができる。(a)式中の左辺は、測定温度500℃における出力因子(mW/K2m)に対応しており、(a)式は、出力因子2.5(mW/K2m)以上を得るためのO濃度及びSi濃度の上限を規定する。(a)式の左辺の数値を2.6、2.7、2.8…と順次大きくすると、対応する出力因子を得るために必要なO濃度及びSi濃度の上限を特定することができる。
高い熱電特性を得るためには、O濃度は、(a)式を満たすことに加えて、0.18at%未満が好ましい。O濃度は、さらに好ましくは、0.15at%以下、さらに好ましくは、0.10at%以下である。。
また、Si濃度は、(a)式を満たすことに加えて、1.30at%以下が好ましい。Si濃度は、さらに好ましくは、0.30at%以下、さらに好ましくは、0.20at%以下、さらに好ましくは、0.10at%以下である。
さらに、本実施の形態に係る熱電材料は、上述したハーフホイスラー化合物と、他の材料(例えば、樹脂、ゴム等)との複合体であっても良い。
[1.4. Impurity amount]
In the present invention, the O concentration ([O] (at%)) and the Si concentration ([Si] (at%)) in the half-Heusler compound satisfy the following formula (a).
2.5 ≦ 3.305-5.10 [O] −0.540 [Si] (a)
The thermoelectric material according to the present embodiment is preferably made of only the half-Heusler compound described above, but may contain impurities inevitably included. However, fewer impurities that adversely affect thermoelectric properties are preferred.
Among impurities, O has a great influence on thermoelectric characteristics. Of the IVb group elements, Si is often unevenly distributed at the grain boundaries without entering the 4a site or the 4b site. Si unevenly distributed at the grain boundary causes a decrease in thermoelectric characteristics. Therefore, it is preferable that the O concentration and the Si concentration in the half-Heusler compound satisfy the formula (a).
In addition, (a) Formula can be calculated | required by multiple regression analysis using the output factor (PF) in
In order to obtain high thermoelectric characteristics, the O concentration is preferably less than 0.18 at% in addition to satisfying the formula (a). The O concentration is more preferably 0.15 at% or less, and still more preferably 0.10 at% or less. .
Further, the Si concentration is preferably 1.30 at% or less in addition to satisfying the formula (a). The Si concentration is more preferably 0.30 at% or less, further preferably 0.20 at% or less, and further preferably 0.10 at% or less.
Furthermore, the thermoelectric material according to the present embodiment may be a composite of the above-described half-Heusler compound and another material (for example, resin, rubber, etc.).
[2. 熱電材料(2)]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る熱電材料について説明する。本実施の形態に係る熱電材料は、上述した原子当たりの価電子数が6であるハーフホイスラー化合物(第1のハーフホイスラー化合物)に対してさらにドーパントを加え、かつ、原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下(但し、原子当たりの価電子数が6であるものを除く)であるハーフホイスラー化合物(第2のハーフホイスラー化合物)を含むものからなる。
[2. Thermoelectric material (2)]
Next, a thermoelectric material according to the second embodiment of the present invention will be described. In the thermoelectric material according to the present embodiment, a dopant is further added to the above-described half-Heusler compound (first half-Heusler compound) having 6 valence electrons per atom, and the number of valence electrons per atom is It includes a half-Heusler compound (second half-Heusler compound) that is 5.9 or more and 6.1 or less (excluding those having 6 valence electrons per atom).
ドーピングは、少なくとも1つのサイトの構成元素の一部を、価電子数の異なる他の元素で置換することにより行う。ドーピングは、1つのサイトの構成元素のみを置換するものであっても良く、あるいは、2以上のサイトの構成元素を同時に置換するものであっても良い。また、ドーピングは、1又は2以上の各サイトにおいて、構成元素の一部を価電子数が同一又は異なる2種以上の元素で置換するものであっても良い。 Doping is performed by replacing a part of constituent elements of at least one site with another element having a different valence electron number. Doping may replace only the constituent elements at one site, or may replace constituent elements at two or more sites simultaneously. In addition, the doping may be one in which a part of the constituent element is replaced with two or more elements having the same or different valence electrons at one or two or more sites.
第1のハーフホイスラー化合物は、一般に、原子当たりの価電子数が6であっても、電子が優勢キャリアとなり、n型熱電材料となる場合が多い。このような第1のハーフホイスラー化合物の構成元素の一部を、それより価電子数の大きな元素(以下、これを「n型ドーパント」という。)で置換すると、原子当たりの価電子数が6より大きい第2のハーフホイスラー化合物が得られる。原子当たりの価電子数が6を超えると、電子がドープされ、電気伝導度がより大きいn型熱電材料となる。
一方、第1のハーフホイスラー化合物の構成元素の一部を、それより価電子数の小さな元素(以下、これを「p型ドーパント」という。)で置換すると、原子当たりの価電子数が6より小さい第2のハーフホイスラー化合物が得られる。原子当たりの価電子数が6より小さくなると、ホールがドープされる。また、p型ドーパントの量がある一定量を超えると、ゼーベック係数Sが正に転じ、p型熱電材料となる。
In general, the first half-Heusler compound is often an n-type thermoelectric material because electrons are the dominant carrier even if the number of valence electrons per atom is six. When a part of the constituent elements of the first half-Heusler compound is replaced with an element having a higher valence electron number (hereinafter referred to as “n-type dopant”), the valence electron number per atom is 6 A larger second half-Heusler compound is obtained. When the number of valence electrons per atom exceeds 6, an electron is doped and an n-type thermoelectric material having a higher electrical conductivity is obtained.
On the other hand, when a part of the constituent elements of the first half-Heusler compound is replaced with an element having a smaller valence number (hereinafter referred to as “p-type dopant”), the number of valence electrons per atom is more than 6. A small second half-Heusler compound is obtained. When the number of valence electrons per atom is less than 6, holes are doped. Further, when the amount of the p-type dopant exceeds a certain amount, the Seebeck coefficient S turns positive and becomes a p-type thermoelectric material.
さらに、ドーピングは、n型ドーパントとp型ドーパントとを同時に添加するものであっても良い。但し、キャリアの増加は、主として、n型ドーパントによる価電子数の増加の寄与分と、p型ドーパントによる価電子数の増加の寄与分の差に依存する。そのため、キャリアを増加させるという点では、n型ドーパントとp型ドーパントの同時添加は実益がなく、いずれか一方を添加するのが好ましい。 Furthermore, doping may be performed by simultaneously adding an n-type dopant and a p-type dopant. However, the increase in carriers mainly depends on the difference between the contribution from the increase in the number of valence electrons by the n-type dopant and the contribution from the increase in the number of valence electrons by the p-type dopant. Therefore, in terms of increasing carriers, simultaneous addition of an n-type dopant and a p-type dopant is not beneficial, and it is preferable to add one of them.
例えば、第1のハーフホイスラー化合物の4aサイトがTi及びYからなる場合において、Tiの一部をさらにVa属元素で置換すると、電子をドープすることができ、Tiの一部をさらにIIIa属元素及び/又は希土類元素で置換すと、ホールをドープすることができる。
また、例えば、第1のハーフホイスラー化合物の4bサイトがSn及びSbからなる場合において、Snの一部をさらにVb属元素で置換すると、電子をドープすることができ、Snの一部をさらにIIIb属元素で置換すると、ホールをドープすることができる。
また、例えば、第1のハーフホイスラー化合物の4cサイトがNiからなる場合において、Niの一部をIb属元素で置換すると、電子をドープすることができ、Niの一部をVIIIa族元素の内、Niより価電子数の少ない元素(Fe、Co等)で置換すると、ホールをドープすることができる。
さらに、これらを組み合わせて用いても良い。
For example, in the case where the 4a site of the first half-Heusler compound is composed of Ti and Y, if a part of Ti is further substituted with a group Va element, electrons can be doped, and a part of Ti is further group IIIa element. And / or substitution with rare earth elements can dope holes.
Further, for example, in the case where the 4b site of the first half-Heusler compound is composed of Sn and Sb, if a part of Sn is further substituted with a Vb group element, electrons can be doped, and a part of Sn is further converted into IIIb. Substitution with a genus element can dope holes.
Further, for example, in the case where the 4c site of the first half-Heusler compound is made of Ni, if a part of Ni is substituted with a group Ib element, electrons can be doped, and a part of Ni is included in the group VIIIa element. If the element is substituted with an element (Fe, Co, etc.) having a lower valence electron number than Ni, holes can be doped.
Further, these may be used in combination.
第1のハーフホイスラー化合物へのドーピングは、ドーピング後(すなわち、第2のハーフホイスラー化合物)の原子当たりの価電子数が5.9以上6.1以下となるように行う。原子当たりの価電子数が5.9未満である場合、及び、6.1を超える場合は、いずれも、第2のハーフホイスラー化合物が金属的となり、高い熱電特性は得られない。
一般に、熱電特性を支配するゼーベック係数S、電気伝導度σ及び熱伝導度κは、いずれも、キャリア濃度の関数となる。従って、高い熱電特性を得るためには、原子当たりの価電子数は、第2のハーフホイスラー化合物の組成に応じて、最適な値を選択するのが好ましい。
なお、第2のハーフホイスラー化合物は、不可避的不純物を含んでいても良い点、熱電特性に悪影響を与える不純物は少ない方が好ましい点、及び、他の材料と複合化させて用いても良い点は、第1の実施の形態と同様である。
The doping to the first half-Heusler compound is performed so that the number of valence electrons per atom after doping (that is, the second half-Heusler compound) is 5.9 or more and 6.1 or less. In both cases where the number of valence electrons per atom is less than 5.9 and exceeds 6.1, the second half-Heusler compound becomes metallic, and high thermoelectric properties cannot be obtained.
In general, the Seebeck coefficient S, the electrical conductivity σ, and the thermal conductivity κ that govern the thermoelectric characteristics are all functions of the carrier concentration. Therefore, in order to obtain high thermoelectric characteristics, it is preferable to select an optimal value for the number of valence electrons per atom according to the composition of the second half-Heusler compound.
The second half-Heusler compound may contain unavoidable impurities, it is preferable to have less impurities that adversely affect thermoelectric properties, and it may be used in combination with other materials. Is the same as in the first embodiment.
[3. 熱電材料の作用]
次に、本発明に係る熱電材料の作用について説明する。ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6に等しいとき、半導体となることが知られている。例えば、TiNiSnの場合、(4+10+4)/3=6であるから、TiNiSnは半導体である。このような半導体に対し、少量の電子又はホールをドープすると、その電気伝導度σは増大する。しかしながら、ゼーベック係数Sは、一般に、キャリア濃度と負の相関があるので、電子又はホールをドープすることにより、ゼーベック係数Sの絶対値は小さくなる。そのため、ハーフホイスラー化合物に対して単一の元素をドーピングするという従来の手法では、到達可能な性能指数Z(あるいは、無次元性能指数ZT)に限界がある。
[3. Action of thermoelectric material]
Next, the operation of the thermoelectric material according to the present invention will be described. Half-Heusler compounds are known to be semiconductors when the number of valence electrons per atom is equal to 6. For example, in the case of TiNiSn, since (4 + 10 + 4) / 3 = 6, TiNiSn is a semiconductor. When such a semiconductor is doped with a small amount of electrons or holes, its electrical conductivity σ increases. However, since the Seebeck coefficient S generally has a negative correlation with the carrier concentration, the absolute value of the Seebeck coefficient S is reduced by doping electrons or holes. Therefore, in the conventional method of doping a single element to a half-Heusler compound, there is a limit to the figure of merit Z (or dimensionless figure of merit ZT) that can be reached.
これに対し、原子当たりの価電子数が6に維持されるように、少なくとも2つのサイトを占める原子の一部を価電子数の異なる原子で置換すると、高い熱電特性を示す第1のハーフホイスラー化合物が得られる。その理由の詳細については、不明であるが、以下のような理由によると考えられる。 On the other hand, the first half-Heusler exhibiting high thermoelectric characteristics when a part of atoms occupying at least two sites is replaced with atoms having different valence electrons so that the number of valence electrons per atom is maintained at 6. A compound is obtained. Although the details of the reason are unclear, it is thought to be due to the following reasons.
第1の理由は、熱伝導度κが小さくなることである。これは、少なくとも2つのサイトを占める原子の一部を価電子数の異なる原子で置換することによって(換言すれば、構成元素の異なる2種類のハーフホイスラー化合物を複合化させることによって)、格子波の伝搬が抑制されるためと考えられる。 The first reason is that the thermal conductivity κ is reduced. This is achieved by replacing a part of atoms occupying at least two sites with atoms having different valence electrons (in other words, by compounding two kinds of half-Heusler compounds having different constituent elements). This is thought to be due to suppression of propagation.
第2の理由は、ゼーベック係数Sが増大することである。ゼーベック係数Sは、半導体の状態密度に比例することが知られている。ハーフホイスラー化合物において、少なくとも2つのサイトを占める原子の一部を価電子数の異なる原子で置換すると、電子構造が複雑となり、状態密度が増大する。その結果、ゼーベック係数Sが増大すると考えられる。 The second reason is that the Seebeck coefficient S increases. It is known that the Seebeck coefficient S is proportional to the density of states of the semiconductor. In the half-Heusler compound, when a part of atoms occupying at least two sites is substituted with atoms having different valence electrons, the electronic structure becomes complicated and the density of states increases. As a result, the Seebeck coefficient S is considered to increase.
第3の理由は、キャリアの移動度の低下が小さいことである。従来の単元素ドープの場合、ドーピングにより生じたイオンサイトは、長距離に渡ってクーロン力を及ぼす。そのため、イオンサイトから遠く離れたキャリアであっても、イオンサイトの影響を受け、キャリアの移動度を低下させる。電気伝導度σは、キャリア移動度に比例するので、キャリア移動度の低下は、電気伝導度σの低下をもたらす。
これに対し、本発明に係る第1のハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6(つまり、平均的には中性)であるため、移動度の低下は少ないと考えられる。
The third reason is that the decrease in carrier mobility is small. In the case of conventional single element doping, ion sites generated by doping exert a Coulomb force over a long distance. Therefore, even if the carrier is far away from the ion site, it is affected by the ion site and lowers the mobility of the carrier. Since the electrical conductivity σ is proportional to the carrier mobility, a decrease in the carrier mobility causes a decrease in the electrical conductivity σ.
On the other hand, since the first half-Heusler compound according to the present invention has 6 valence electrons per atom (that is, neutral on average), the decrease in mobility is considered to be small.
第4の理由は、特に、置換元素が相対的に少量であり、かつ、局所的にクラスターを形成する、いわゆるナノドット構造を有する場合、電気伝導度σを低下させることなく、熱伝導度κを小さくする効果が大きいことである。
相対的に少量の置換元素が局所的にクラスターを形成すると、格子波の伝搬が抑制され、熱伝導度κが小さくなると考えられる。
また、原子当たりの価電子数が6に維持されるように、2以上のサイトを占める原子を置換すると、置換原子の少なくとも1つは+のイオンサイトとなり、他方は−のイオンサイトとなる。これらの置換原子が局所的にクラスターを形成すると、クラスターから遠く離れたキャリアにとっては、クラスタは、電気的に中性として振る舞う。その結果、キャリアの移動度の低下が小さくなると考えられる。
クラスタが形成され、局所的な電気的中性を保ちやすくするためには、2つのサイトで原子を置換するのが好ましい。これは、1つのサイトでは最近接に配置することができないし、3つのサイトでは+2、−1、−1といった異なるイオンが分布することによるクーロン力が移動度を低下させるためである。
The fourth reason is that, in particular, in the case of a so-called nanodot structure in which a relatively small amount of substitution element is formed and locally forms a cluster, the thermal conductivity κ is reduced without reducing the electrical conductivity σ. The effect of making it smaller is great.
If a relatively small amount of substitution elements locally form clusters, it is considered that the propagation of lattice waves is suppressed and the thermal conductivity κ is reduced.
When an atom occupying two or more sites is substituted so that the number of valence electrons per atom is maintained, at least one of the substituted atoms becomes a positive ion site, and the other becomes a negative ion site. When these substitution atoms form a cluster locally, for carriers far from the cluster, the cluster behaves electrically neutral. As a result, it is considered that the decrease in carrier mobility is reduced.
In order to easily form a cluster and maintain local electrical neutrality, it is preferable to substitute atoms at two sites. This is because one site cannot be arranged closest to each other, and the coulomb force due to the distribution of different ions such as +2, −1, and −1 at three sites reduces mobility.
さらに、このような第1のハーフホイスラー化合物に対してさらにドーパントを添加した場合において、ドーパントの添加量を最適化すると、電気伝導度σが増大し、その熱電特性が向上する。
また、熱電材料は、電気伝導度、ゼーベック係数が高く、熱伝導度が低いことが必要である。しかしながら、合成過程で不純物が混入すると、それが散乱源となって電気伝導度が低下するため、熱電特性が低下する。特に、O及び粒界に存在するSiは、熱電特性を低下させる原因となる。本発明に係る熱電材料は、後述するように窒化ホウ素製ノズルを用いて急冷凝固することにより得られるので、不純物量(特に、O及びSi)が少ない。そのため、電気伝導度の低下が少なく、高い性能指数が得られる。また、組成ずれも少ないので、高い熱電特性の再現性も高い。
Further, in the case where a dopant is further added to such a first half-Heusler compound, when the addition amount of the dopant is optimized, the electrical conductivity σ increases and the thermoelectric characteristics thereof are improved.
In addition, the thermoelectric material needs to have high electric conductivity and Seebeck coefficient and low thermal conductivity. However, when impurities are mixed in the synthesis process, it becomes a scattering source and the electric conductivity is lowered, so that the thermoelectric characteristics are lowered. In particular, O and Si present at the grain boundaries cause deterioration in thermoelectric properties. Since the thermoelectric material according to the present invention is obtained by rapid solidification using a boron nitride nozzle as described later, the amount of impurities (particularly O and Si) is small. Therefore, there is little decrease in electrical conductivity and a high figure of merit can be obtained. Moreover, since there is little composition shift, the reproducibility of high thermoelectric characteristics is also high.
[4. 熱電材料の製造方法]
次に、本発明に係る熱電材料の製造方法について説明する。本発明に係る熱電材料の製造方法は、溶解工程と、急冷工程とを備えている。
[4. Method for manufacturing thermoelectric material]
Next, the manufacturing method of the thermoelectric material which concerns on this invention is demonstrated. The manufacturing method of the thermoelectric material according to the present invention includes a melting step and a rapid cooling step.
[4.1 溶融工程]
溶解工程は、上述した第1のハーフホイスラー化合物又は第2のハーフホイスラー化合物となるように配合された原料を溶解する工程である。
原料は、単一の元素のみを含むものであっても良く、あるいは、2種以上の元素を含む合金、化合物等であっても良い。また、各原料は、目的とする組成が得られるように、配合する。原料の溶解方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。また、原料の溶解は、酸化を防ぐために、不活性雰囲気下で行うのが好ましい。
[4.1 Melting process]
The dissolution step is a step of dissolving the raw materials blended so as to be the first half-Heusler compound or the second half-Heusler compound described above.
The raw material may contain only a single element, or may be an alloy or compound containing two or more elements. Moreover, each raw material is mix | blended so that the target composition may be obtained. The method for dissolving the raw material is not particularly limited, and various methods can be used. In addition, it is preferable to dissolve the raw material in an inert atmosphere in order to prevent oxidation.
[4.2. 急冷工程]
急冷工程は、溶解工程で得られた溶湯を急冷凝固させる工程である。本発明において、急冷工程は、窒化ホウ素製ノズルを用いて溶湯を冷却媒体に噴霧又は滴下するものである。この点が、従来の製造方法とは異なる。
急冷方法としては、具体的には、
(1) 窒化ホウ素製ノズル内で溶融させた溶湯を、回転する銅ロール(冷却媒体)上に噴霧又は滴下する方法(銅ロール法)、
(2) 窒化ホウ素製ノズル内で溶解させた溶湯をノズル穴から噴霧又は滴下させ、溶湯の流れに周囲からジェット流体(不活性ガス、水、空気など)を吹き付け、生成した液滴を落下させながら凝固させる方法(アトマイズ法)、
などがある。
窒化ホウ素製ノズルは、そのまま使用しても良いが、原料を溶解する前に、予め不活性ガス雰囲気下(Ar、N2など)において600℃以上で加熱処理したものを用いるのが好ましい。製造直後の窒化ホウ素には、ガスや水分が吸着しているが、これを所定の条件下で加熱処理すると、吸着ガスや吸着水が除去されるので、不純物(特に、O)の混入を最小限に抑制することができる。
[4.2. Rapid cooling process]
The rapid cooling step is a step of rapidly solidifying the molten metal obtained in the melting step. In the present invention, the rapid cooling step is to spray or drop the molten metal onto the cooling medium using a boron nitride nozzle. This point is different from the conventional manufacturing method.
Specifically, as a rapid cooling method,
(1) A method (copper roll method) of spraying or dripping molten metal melted in a boron nitride nozzle onto a rotating copper roll (cooling medium),
(2) The molten metal dissolved in the boron nitride nozzle is sprayed or dripped from the nozzle hole, jet fluid (inert gas, water, air, etc.) is blown from the surroundings to the molten metal flow, and the generated droplet is dropped. Coagulation method (atomization method),
and so on.
The boron nitride nozzle may be used as it is, but it is preferable to use a nozzle that has been heat-treated at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere (Ar, N 2, etc.) before melting the raw material. Immediately after the manufacture, boron nitride adsorbs gas and moisture, but if this is heat-treated under the prescribed conditions, the adsorbed gas and adsorbed water are removed, so the contamination of impurities (especially O) is minimized. It can be suppressed to the limit.
急冷時の冷却速度は、100℃/sec以上が好ましい。冷却速度が100℃/sec未満であると、成分元素が偏斥し、均一な固溶体が得られない場合がある。均一な固溶体を得るためには、冷却速度は、速いほどよい。 The cooling rate during the rapid cooling is preferably 100 ° C./sec or more. When the cooling rate is less than 100 ° C./sec, the component elements are biased and a uniform solid solution may not be obtained. In order to obtain a uniform solid solution, the faster the cooling rate, the better.
[4.3. 焼結工程]
銅ロール法等を用いて溶湯を急冷凝固させると、リボン状又は粉末状のハーフホイスラー化合物が得られる。これらのリボン状又は粉末状のハーフホイスラー化合物をそのまま、あるいは、必要に応じて粉砕(粉砕工程)した後、、他の材料と複合化させても良い。あるいは、リボン状又は粉末状のハーフホイスラー化合物を、必要に応じて粉砕(粉砕工程)した後、焼結(焼結工程)させても良い。
[4.3. Sintering process]
When the molten metal is rapidly solidified using a copper roll method or the like, a ribbon-like or powdery half-Heusler compound is obtained. These ribbon-like or powdery half-Heusler compounds may be combined with other materials as they are or after being pulverized (pulverizing step) as necessary. Alternatively, the ribbon-shaped or powder-shaped half-Heusler compound may be pulverized (pulverizing step) and then sintered (sintering step) as necessary.
粉末状のハーフホイスラー化合物を焼結させる場合、その焼結方法には、種々の方法を用いることができる。焼結方法としては、具体的には、常圧焼結法、ホットプレス、HIP、放電プラズマ焼結法(SPS)などがある。これらの中でも、放電プラズマ焼結法は、短時間で緻密な焼結体が得られるので、焼結方法として特に好適である。
焼結条件(例えば、焼結温度、焼結時間、焼結時の加圧力、焼結時の雰囲気等)は、ハーフホイスラー化合物の組成、使用する焼結方法等に応じて、最適なものを選択する。
例えば、放電プラズマ焼結法を用いる場合、焼結温度は、ハーフホイスラー化合物の融点以下が好ましく、加圧力は、20MPa以上が好ましい。焼結時にハーフホイスラー化合物を溶融させると、冷却時に成分元素が偏斥するおそれがある。また、加圧力を20MPa以上とすると、緻密な焼結体を得ることができる。焼結時間は、緻密な焼結体が得られるように、焼結温度に応じて最適な時間を選択する。
When a powdered half-Heusler compound is sintered, various methods can be used for the sintering method. Specific examples of the sintering method include atmospheric pressure sintering, hot pressing, HIP, and discharge plasma sintering (SPS). Among these, the discharge plasma sintering method is particularly suitable as a sintering method because a dense sintered body can be obtained in a short time.
Sintering conditions (for example, sintering temperature, sintering time, applied pressure during sintering, atmosphere during sintering, etc.) should be optimized according to the composition of the half-Heusler compound, the sintering method used, etc. select.
For example, when using the discharge plasma sintering method, the sintering temperature is preferably not higher than the melting point of the half-Heusler compound, and the applied pressure is preferably not less than 20 MPa. If the half-Heusler compound is melted during sintering, component elements may be biased during cooling. Further, when the applied pressure is 20 MPa or more, a dense sintered body can be obtained. As the sintering time, an optimal time is selected according to the sintering temperature so that a dense sintered body can be obtained.
[4.4. アニール工程]
さらに、粉末を焼結した後、焼結体を所定の温度に保持するアニール処理を行っても良い(アニール工程)。焼結体に対してアニール処理を施すと、成分元素の偏斥や4cサイトの格子欠陥等を除去することができる。
アニール処理の温度は、700℃以上ハーフホイスラー化合物の融点以下が好ましい。アニール処理温度が700℃未満であると、十分な効果が得られない。一方、アニール処理温度がハーフホイスラー化合物の融点を超えると、冷却時に成分元素が偏斥するおそれがある。
アニール処理時間は、アニール処理温度に応じて、最適な時間を選択する。一般に、アニール処理温度が高くなるほど、短時間で偏斥や格子欠陥を除去することができる。通常は、数時間〜数十時間である。
[4.4. Annealing process]
Furthermore, after the powder is sintered, an annealing treatment for holding the sintered body at a predetermined temperature may be performed (annealing step). When annealing is performed on the sintered body, deviation of component elements, lattice defects at 4c sites, and the like can be removed.
The annealing temperature is preferably 700 ° C. or higher and the melting point of the half-Heusler compound or lower. If the annealing temperature is less than 700 ° C., sufficient effects cannot be obtained. On the other hand, when the annealing temperature exceeds the melting point of the half-Heusler compound, the component elements may be biased during cooling.
As the annealing time, an optimum time is selected according to the annealing temperature. In general, as the annealing temperature increases, deviations and lattice defects can be removed in a shorter time. Usually, it is several hours to several tens of hours.
[5. 熱電材料の製造方法の作用]
本発明に係る熱電材料の製造方法は、急冷工程を備えているので、ハーフホイスラー化合物が多数の元素によって構成されている場合であっても、均一な固溶体を得ることができる。また、このような急冷凝固された化合物を粉砕し、焼結させると、鋳巣などの欠陥の少ない緻密な焼結体が得られる。さらに、このような焼結体に対してアニール処理を施すと、偏斥や格子欠陥等が除去され、高い特性を有する熱電材料が得られる。
[5. Operation of Thermoelectric Material Manufacturing Method]
Since the method for producing a thermoelectric material according to the present invention includes a rapid cooling step, a uniform solid solution can be obtained even when the half-Heusler compound is composed of a large number of elements. Further, when such rapidly solidified compound is pulverized and sintered, a dense sintered body with few defects such as a cast hole can be obtained. Furthermore, when annealing treatment is performed on such a sintered body, deviation, lattice defects, and the like are removed, and a thermoelectric material having high characteristics can be obtained.
また、熱電材料の合成過程において分相が生じると、それが散乱源となって電気伝導度が低下するため、熱電特性が低下する。分相に関しては、急冷工程を経ることで改善可能である。しかしながら、所定の組成を有するハーフホイスラー化合物を急冷凝固法を用いて製造する場合において、従来一般に用いられている石英ノズルを用いると、構成元素中の酸化しやすい元素が石英ノズルと反応する。その結果、不純物(特に、O及びSi)の混入を生じやすく、性能指数が低下する。また、組成ずれのため、再現性良く熱電材料を製造することが困難となる。
これに対し、窒化ホウ素は、多くの元素と反応性が低いため、急冷凝固用のノズルとして窒化ホウ素製ノズルを用いると、構成元素とノズルとの反応が抑制される。そのため、組成ずれを引き起こすことなく、相の均一性を改善することができる。
さらに、窒化ホウ素製ノズルを予め600℃以上で加熱処理することにより、ノズル表面が清浄となる。その結果、電気伝導度低下の原因となる不純物の混入が抑制され、熱電特性を向上させることが可能となる。
Further, when phase separation occurs in the synthesis process of the thermoelectric material, it becomes a scattering source and the electric conductivity is lowered, so that the thermoelectric characteristics are lowered. Phase separation can be improved through a rapid cooling process. However, when a half-Heusler compound having a predetermined composition is produced using a rapid solidification method, when a conventionally used quartz nozzle is used, an easily oxidizable element in the constituent elements reacts with the quartz nozzle. As a result, impurities (especially O and Si) are likely to be mixed, and the figure of merit is lowered. In addition, it is difficult to produce a thermoelectric material with high reproducibility due to compositional deviation.
On the other hand, since boron nitride has low reactivity with many elements, when a boron nitride nozzle is used as a rapid solidification nozzle, reaction between the constituent elements and the nozzle is suppressed. Therefore, phase uniformity can be improved without causing a composition shift.
Furthermore, the nozzle surface is cleaned by preliminarily heat-treating the boron nitride nozzle at 600 ° C. or higher. As a result, mixing of impurities that cause a decrease in electrical conductivity is suppressed, and thermoelectric characteristics can be improved.
(参考例1、実施例2、比較例1〜3)
[1. 試料の作製]
Ti、Zr、Hfを、組成比がTi0.5Zr0.25Hf0.25となるように秤量し、アーク溶解炉にセットした。10-6Torr(1.33×10-4Pa)台の真空にした後、Arガスを導入して、チャンバー圧が0.5気圧(5.07×104Pa)になるまで置換し、アーク溶解によりTi0.5Zr0.25Hf0.25合金を得た。次に、Ni、Snを秤量し、全体の組成が(Ti0.5Zr0.25Hf0.25)NiSnとなるようにし、合成したTi0.5Zr0.25Hf0.25合金と一緒に窒化ホウ素のルツボに入れて高周波溶解した。
この時、普通に高周波溶解すると、合成されたインゴット表面が酸化して青や茶色に変色し、インゴットがルツボにくっ付いて剥がれにくくなった。一方、窒化ホウ素のルツボを600℃以上で加熱処理すると、窒化ホウ素ルツボ表面に吸着した水分やガスが脱離して、ルツボの重量減少が確認された。また、加熱処理後のルツボを用いて高周波溶解を行うと、ガスや吸着水等が除去された結果、合成されたインゴットの酸化が抑制され、ルツボとインゴットの接着も抑制できることが分かった。
(Reference Example 1, Example 2 , Comparative Examples 1-3)
[1. Preparation of sample]
Ti, Zr, and Hf were weighed so that the composition ratio was Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25, and set in an arc melting furnace. After evacuating 10 −6 Torr (1.33 × 10 −4 Pa), Ar gas was introduced and replaced until the chamber pressure became 0.5 atm (5.07 × 10 4 Pa). A Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 alloy was obtained by arc melting. Next, Ni and Sn were weighed so that the overall composition was (Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 ) NiSn, and was put together with the synthesized Ti 0.5 Zr 0.25 Hf 0.25 alloy into a boron nitride crucible and melted at high frequency. .
At this time, when the high-frequency melt was normally performed, the surface of the synthesized ingot was oxidized and turned blue or brown, and the ingot stuck to the crucible and became difficult to peel off. On the other hand, when the boron nitride crucible was heat-treated at 600 ° C. or higher, moisture and gas adsorbed on the surface of the boron nitride crucible were desorbed, and it was confirmed that the weight of the crucible was reduced. Further, it was found that when high-frequency dissolution was performed using the heat-treated crucible, the gas, adsorbed water, and the like were removed, so that oxidation of the synthesized ingot was suppressed and adhesion between the crucible and the ingot could be suppressed.
インゴット(加熱処理後のルツボを用いたもの。以下同じ。)をグローブボックス内においてAr雰囲気中で粉砕し、放電プラズマ装置で1100℃、50MPaの条件で焼結した(比較例1)。
インゴットをグローブボックス内においてAr雰囲気中で粉砕し、ホットプレス装置で1100℃、50MPaの条件で焼結した(比較例2)。
インゴットをガラス管内で再び高周波溶解し、溶湯を3000rpmで回転するCuロール面上で急冷凝固し、リボン状試料を得た。これを粉砕し、放電プラズマ装置で1100℃、50MPaの条件で焼結した(比較例3)。
インゴットを粉砕し、窒化ホウ素製ノズル内で溶解し、溶湯を比較例3と同条件で急冷凝固した。得られたリボン状試料を粉砕し、放電プラズマ装置を用いて比較例3と同条件で焼結した(参考例1)。
さらに、高周波溶解前に、窒化ホウ素製ノズルを600℃以上で加熱処理した以外は、実施例1と同様の手順に従い、焼結体を作製した(実施例2)。
An ingot (using a crucible after heat treatment; the same applies hereinafter) was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box and sintered in a discharge plasma apparatus at 1100 ° C. and 50 MPa (Comparative Example 1).
The ingot was pulverized in an Ar atmosphere in a glove box, and sintered under conditions of 1100 ° C. and 50 MPa in a hot press apparatus (Comparative Example 2).
The ingot was high-frequency melted again in a glass tube, and the molten metal was rapidly solidified on a Cu roll surface rotating at 3000 rpm to obtain a ribbon-like sample. This was pulverized and sintered in a discharge plasma apparatus at 1100 ° C. and 50 MPa (Comparative Example 3).
The ingot was pulverized and melted in a boron nitride nozzle, and the molten metal was rapidly solidified under the same conditions as in Comparative Example 3. The obtained ribbon-shaped sample was pulverized and sintered under the same conditions as in Comparative Example 3 using a discharge plasma apparatus (Reference Example 1) .
Further, a sintered body was produced according to the same procedure as in Example 1 except that the boron nitride nozzle was heat-treated at 600 ° C. or higher before high-frequency melting (Example 2).
[2. 試験方法]
得られた試料について、X線回折測定を行った。また、ICP及びSEM−EDX測定により、成分分析を行った。さらに、得られた焼結体から棒状試料を切り出し、熱電特性を測定した。
[2. Test method]
X-ray diffraction measurement was performed on the obtained sample. In addition, component analysis was performed by ICP and SEM-EDX measurements. Furthermore, a rod-shaped sample was cut out from the obtained sintered body, and thermoelectric characteristics were measured.
[3. 結果]
[3.1. 生成相]
急冷工程を入れず、放電プラズマ装置で焼結した場合(比較例1)、ハーフホイスラー相のX線回折の最強ピークは、2つに分裂した。SEM−EDX測定の結果、これは、Ti−rich相とTi−poor相に分離していることがわかった。
急冷工程を入れない場合でも、ホットプレス装置で焼結した場合(比較例2)には、X線のピーク分離は抑制されていた。ただし、SEM−EDXで観察を行うと、Ti−rich相とTi−poor相への分相は抑制されていないことがわかった。
急冷工程を経た試料(比較例3、参考例1、実施例2)のX線回折ピークには分離がなく、SEM−EDXの測定結果でも、Ti−rich相とTi−poor相への分相が抑制されていることが確認された。
[3. result]
[3.1. Generation phase]
When the quenching process was not performed and sintering was performed with a discharge plasma apparatus (Comparative Example 1), the strongest peak of X-ray diffraction of the half-Heusler phase was split into two. As a result of SEM-EDX measurement, it was found that this was separated into a Ti-rich phase and a Ti-poor phase.
Even in the case where the quenching step was not performed, peak separation of X-rays was suppressed when sintering was performed with a hot press apparatus (Comparative Example 2). However, when observed with SEM-EDX, it was found that the phase separation into Ti-rich phase and Ti-poor phase was not suppressed.
There is no separation in the X-ray diffraction peaks of the samples that have undergone the rapid cooling process (Comparative Example 3 , Reference Example 1, Example 2) , and even the SEM-EDX measurement results show phase separation into Ti-rich phase and Ti-poor phase. Was confirmed to be suppressed.
[3.2. 成分]
表2に、SEM−EDX測定により得られた各試料のO濃度及びSi濃度を示す。
石英ノズルで急冷工程を行った場合(比較例3)、SEM−EDX測定の結果、SiやOなどの不純物が混入していることがわかった。
一方、窒化ホウ素製ノズルで急冷を行った場合(参考例1、実施例2)には、EDXの検出限界(<100ppm)内では、Siの存在は確認されなかった。未処理の窒化ホウ素製ノズルで急冷を行った場合(参考例1)、粒界に酸化物の形で酸素が混入するが、加熱処理済み窒化ホウ素製ノズルで急冷を行った場合(実施例2)、酸素濃度が大幅に低減されているのが確認された。
[3.2. component]
Table 2 shows the O concentration and Si concentration of each sample obtained by SEM-EDX measurement.
When the quenching process was performed with a quartz nozzle (Comparative Example 3), as a result of SEM-EDX measurement, it was found that impurities such as Si and O were mixed.
On the other hand, when quenching was performed with a boron nitride nozzle (Reference Example 1, Example 2) , the presence of Si was not confirmed within the EDX detection limit (<100 ppm). When quenching is performed with an untreated boron nitride nozzle (Reference Example 1) , oxygen is mixed into the grain boundary in the form of oxide, but when quenching is performed with a heat treated boron nitride nozzle (Example 2). ), It was confirmed that the oxygen concentration was greatly reduced.
図2に、石英ノズルを用いて急冷した試料(比較例3)のEDX分析結果を示す。
図2より、
(1) 粒内(領域16)は、ほぼ仕込み通りの組成になっていること、
(2) 粒界の一部(領域18)は、O濃度が極めて高くなっており、かつ、著しい組成ずれが生じていること、及び、
(3) 粒界の他の一部(領域19、20)は、Si濃度が高くなっており、かつ、組成ずれが生じていること、
がわかる。
図3(a)に、比較例3で得られた試料のSEM写真を示す。また、図3(b)に、実施例2で得られた試料のSEM写真を示す。石英ノズルを使用した場合(図3(a))、黒い斑点(Si濃度の高い領域)が点在しているのに対し、窒化ホウ素製ノズルを使用した場合(図3(b))、黒い斑点が消失していることがわかる。
FIG. 2 shows an EDX analysis result of a sample (Comparative Example 3) rapidly cooled using a quartz nozzle.
From FIG.
(1) The inside of the grains (region 16) has a composition almost as prepared.
(2) Part of the grain boundary (region 18) has an extremely high O concentration and a significant compositional deviation, and
(3) The other part of the grain boundary (
I understand.
FIG. 3A shows an SEM photograph of the sample obtained in Comparative Example 3. FIG. 3B shows an SEM photograph of the sample obtained in Example 2. When quartz nozzles are used (FIG. 3A), black spots (regions with high Si concentration) are scattered, whereas when boron nitride nozzles are used (FIG. 3B), black spots are scattered. It can be seen that the spots have disappeared.
比較例3、及び参考例1、実施例2で得られた試料について、ICPにより組成分析を行った。表3に、その結果を示す。石英管で急冷工程を行った場合(比較例3)、及び未処理の窒化ホウ素製ノズルを用いて急冷工程を行った場合(参考例1)には、仕込み組成と比べて実際の組成が大きくずれているのが確認された。一方、窒化ホウ素製ノズルを加熱前処理してから急冷工程を行った場合(実施例2)には、ほぼ仕込み通りの組成が保たれていることが確認された。 The samples obtained in Comparative Example 3, Reference Example 1 and Example 2 were subjected to composition analysis by ICP. Table 3 shows the results. When the quenching process is performed with a quartz tube (Comparative Example 3) and when the quenching process is performed using an untreated boron nitride nozzle (Reference Example 1) , the actual composition is larger than the charged composition. It was confirmed that it was shifted. On the other hand, when the quenching step was performed after the boron nitride nozzle was pre-heated (Example 2), it was confirmed that the composition almost as prepared was maintained.
[3.3. 熱電特性]
比較例1、3、及び参考例1、実施例2で得られた試料の電気伝導度σ及びゼーベック係数Sを測定し、出力因子(PF)を算出した。図4に、その結果を示す。図4より、急冷の効果(比較例1vs比較例3)、ノズル素材の効果(比較例3vs参考例1)、及び、加熱前処理の効果(参考例1vs実施例2)が、それぞれ明らかになった。
[3.3. Thermoelectric characteristics]
The electrical conductivity σ and Seebeck coefficient S of the samples obtained in Comparative Examples 1 and 3 and Reference Example 1 and Example 2 were measured, and the output factor (PF) was calculated. FIG. 4 shows the result. From FIG. 4, the effect of rapid cooling (Comparative Example 1 vs. Comparative Example 3), the effect of the nozzle material (Comparative Example 3 vs. Reference Example 1 ), and the effect of pre-heating treatment ( Reference Example 1 vs. Example 2) are clearly shown. became.
図5に、O濃度と出力因子(測定温度:500℃)との関係を示す。また、図6に、Si濃度と出力因子(測定温度:500℃)との関係を示す。図5及び図6より、O濃度が低くなるほど、及び/又は、Si濃度が低くなるほど、高い出力因子が得られることがわかる。
また、図5及び図6より、目的とする出力因子を得るために必要なO濃度及びSi濃度の上限を読み取ることができる。表4に、その一例を示す。
例えば、O濃度が0.001at%以下の場合において、2.6mW/K2m以上の出力因子を得るためには、Si濃度を1.30at%以下にすれば良いことがわかる。また、O濃度が0.001at%以下の場合において、2.7mW/K2m以上の出力因子を得るためには、Si濃度を1.11at%以下にすれば良いことがわかる。
同様に、Si濃度が0at%の場合において、2.6mW/K2m以上の出力因子を得るためには、O濃度を0.138at%以下にすれば良いことがわかる。また、Si濃度が0at%の場合において、2.7mW/K2m以上の出力因子を得るためには、O濃度を0.118at%以下にすれば良いことがわかる。他の場合も同様である。
FIG. 5 shows the relationship between the O concentration and the output factor (measurement temperature: 500 ° C.). FIG. 6 shows the relationship between the Si concentration and the output factor (measurement temperature: 500 ° C.). 5 and 6 that a higher output factor is obtained as the O concentration is lower and / or as the Si concentration is lower.
Further, from FIGS. 5 and 6, the upper limits of the O concentration and the Si concentration necessary for obtaining the target output factor can be read. Table 4 shows an example.
For example, when the O concentration is 0.001 at% or less, it is understood that the Si concentration should be 1.30 at% or less in order to obtain an output factor of 2.6 mW / K 2 m or more. It can also be seen that when the O concentration is 0.001 at% or less, the Si concentration should be 1.11 at% or less in order to obtain an output factor of 2.7 mW / K 2 m or more.
Similarly, when the Si concentration is 0 at%, it can be seen that the O concentration should be 0.138 at% or less in order to obtain an output factor of 2.6 mW / K 2 m or more. It can also be seen that when the Si concentration is 0 at%, in order to obtain an output factor of 2.7 mW / K 2 m or more, the O concentration should be 0.118 at% or less. The same applies to other cases.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る熱電材料は、太陽熱発電器、海水温度差熱電発電器、化石燃料熱電発電器、工場排熱や自動車排熱の回生発電器等の各種の熱電発電器、光検出素子、レーザーダイオード、電界効果トランジスタ、光電子増倍管、分光光度計のセル、クロマトグラフィーのカラム等の精密温度制御装置、恒温装置、冷暖房装置、冷蔵庫、時計用電源等に用いられる熱電素子を構成する熱電材料として使用することができる。 Thermoelectric materials according to the present invention include solar thermoelectric generators, seawater temperature difference thermoelectric generators, fossil fuel thermoelectric generators, various types of thermoelectric generators such as factory exhaust heat and automobile exhaust heat regenerative generators, photodetection elements, and laser diodes. As a thermoelectric material that constitutes thermoelectric elements used in precision temperature control devices such as field effect transistors, photomultiplier tubes, spectrophotometer cells, chromatography columns, thermostats, air conditioners, refrigerators, power supplies for watches, etc. Can be used.
Claims (7)
(1) 前記ハーフホイスラー化合物は、AgAsMg型結晶構造を有する。
(2) 前記ハーフホイスラー化合物は、原子当たりの価電子数が6である。
(3) 前記ハーフホイスラー化合物は、前記AgAsMg型結晶構造の3つのサイトの内、少なくとも2つのサイトには、それぞれ、価電子数の異なる2種以上の原子を含む。
(4) 前記ハーフホイスラー化合物中のO濃度([O])及びSi濃度([Si])は、次の(a)式を満たす。
2.5≦3.305−5.10[O]−0.540[Si] ・・・(a)
(5) 前記ハーフホイスラー化合物中のO濃度は、0.10at%以下であり、Si濃度は、0.10at%以下である。
(6) 前記熱電材料は、不活性ガス雰囲気下において600℃以上で加熱された窒化ホウ素製ノズルを用いて、前記ハーフホイスラー化合物の溶湯を急冷凝固させることにより得られるものからなる。 A thermoelectric material comprising a half-Heusler compound having the following configuration.
(1) The half-Heusler compound has an AgAsMg crystal structure.
(2) The half-Heusler compound has 6 valence electrons per atom.
(3) In the half-Heusler compound, at least two of the three sites of the AgAsMg type crystal structure each include two or more kinds of atoms having different valence electrons.
(4) The O concentration ([O]) and the Si concentration ([Si]) in the half-Heusler compound satisfy the following formula (a).
2.5 ≦ 3.305-5.10 [O] −0.540 [Si] (a)
(5) The O concentration in the half-Heusler compound is 0.10 at% or less, and the Si concentration is 0.10 at% or less.
(6) The thermoelectric material is obtained by rapidly cooling and solidifying the molten metal of the half-Heusler compound using a boron nitride nozzle heated at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere.
(1)前記熱電材料の製造方法は、
請求項1から4までのいずれかに記載のハーフホイスラー化合物となるように配合された原料を溶解する溶解工程と、
該溶解工程で得られた溶湯を急冷凝固させる急冷工程と、
を備え、
前記急冷工程は、窒化ホウ素製ノズルを用いて前記溶湯を冷却媒体に噴霧又は滴下するものである。
(2)前記窒化ホウ素製ノズルは、不活性ガス雰囲気下において600℃以上で加熱することにより得られるものである。 The manufacturing method of the thermoelectric material provided with the following structures.
(1) The manufacturing method of the thermoelectric material is as follows:
A dissolution step of dissolving the raw materials that are blended so that the half-Heusler compound according to any one of 請 Motomeko 1 to 4,
A rapid cooling step for rapidly solidifying the molten metal obtained in the melting step;
With
The rapid cooling step is also to the molten metal is sprayed or dropped into the cooling medium by using a boron nitride-made nozzle.
(2) The boron nitride nozzle is obtained by heating at 600 ° C. or higher in an inert gas atmosphere.
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