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JP5671985B2 - Composite thermoelectric material and method for producing the same - Google Patents

Composite thermoelectric material and method for producing the same Download PDF

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JP5671985B2 JP2010270930A JP2010270930A JP5671985B2 JP 5671985 B2 JP5671985 B2 JP 5671985B2 JP 2010270930 A JP2010270930 A JP 2010270930A JP 2010270930 A JP2010270930 A JP 2010270930A JP 5671985 B2 JP5671985 B2 JP 5671985B2
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賢東 松原
旭 良司
良司 旭
東 博純
博純 東
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Description

本発明は、複合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母相とする複合熱電材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite thermoelectric material and a method for producing the same, and more particularly to a composite thermoelectric material having a half-Heusler compound as a parent phase and a method for producing the same.

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.

熱エネルギーと電気エネルギー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。また、熱電材料の特性を評価する指標として、出力因子PF(=S2σ)が用いられることもある。
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 a material capable of mutually converting thermal energy and electrical energy, ie, thermoelectric material, generally, a 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. Further, the output factor PF (= S 2 σ) may be used as an index for evaluating the characteristics of the thermoelectric material.
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Z、n型熱電材料の性能指数Z、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、Z及び/又はZ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Z、Z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)Zn−Sb系、Co−Sb系、Fe−Sb系等のスクッテルダイト化合物、
(3)TiNiSn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) Skutterudite compounds such as Zn-Sb, Co-Sb, and Fe-Sb,
(3) Half-Heusler compounds such as TiNiSn,
Etc. 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、高価なGeを大量に用いている。   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. In addition, Ge—Si-based compound semiconductors use a large amount of expensive Ge.

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、高効率の排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。しかしながら、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。   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 800K, it is expected that a highly efficient exhaust heat recovery system can be obtained by using such a thermoelectric element using a skutterudite compound. However, many of the skutterudite compounds exhibiting high thermoelectric properties in the middle / low temperature range have a problem that they contain a large amount of elements having a large environmental load such as Sb.

これに対し、MNiSn系(M=Ti、Zr、Hf)のハーフホイスラー化合物は、中・低温域で高い熱電特性を示し、しかも環境負荷元素を含まないという特徴がある。ここで、「ハーフホイスラー化合物」とは、ホイスラー合金CuAlMn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。しかしながら、MNiSn化合物は、本質的に高い出力因子を有しているにもかかわらず、熱伝導度が高いために、到達可能な性能指数に限界があるという問題がある。 On the other hand, the MNiSn-based (M = Ti, Zr, Hf) half-Heusler compound is characterized by exhibiting high thermoelectric properties in the middle / low temperature range and free of environmentally hazardous elements. 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. However, the MNiSn compound has a problem in that there is a limit in the figure of merit that can be reached due to its high thermal conductivity, despite having an essentially high output factor.

上述のような従来の熱電材料が持つ欠点を改善するために、熱電材料をナノコンポジット化することが提案されている。熱電材料をナノコンポジット化すると、サイズ効果、次元効果、及び、フォノンやキャリアの粒界散乱により、対応するバルク材料より熱電特性が向上することが理論的に示唆されている。このようなナノコンポジット化の手法については、従来から種々の提案がなされている。   In order to improve the drawbacks of the conventional thermoelectric materials as described above, it has been proposed to make the thermoelectric materials into nanocomposites. It has been theoretically suggested that when a thermoelectric material is made into a nanocomposite, thermoelectric properties are improved over the corresponding bulk material due to size effect, dimensional effect, and grain boundary scattering of phonons and carriers. Various proposals have been made for such nanocomposite techniques.

例えば、非特許文献1には、熱電材料ではないが、
(1)金属Ba及びTi(OiPr)4を、i−PrOH及び2−メトキシエタンの混合溶媒に溶解させることによりBaTiO3前駆体溶液を作製し、
(2)BaTiO3前駆体溶液にNiを加えて加水分解させる
ことにより得られるBaTiO3でコートされたNi粒子が開示されている。
同文献には、このような方法により、多層セラミックキャパシタの共焼結プロセスにおける、Ni電極と誘電体との間の大きな焼結収縮差及びNi電極の酸化抵抗を改善することができる点が記載されている。
For example, Non-Patent Document 1 is not a thermoelectric material,
(1) A BaTiO 3 precursor solution is prepared by dissolving metal Ba and Ti (O i Pr) 4 in a mixed solvent of i-PrOH and 2-methoxyethane,
(2) Ni particles coated with BaTiO 3 obtained by adding Ni to a BaTiO 3 precursor solution to cause hydrolysis are disclosed.
This document describes that this method can improve the large sintering shrinkage difference between the Ni electrode and the dielectric and the oxidation resistance of the Ni electrode in the co-sintering process of the multilayer ceramic capacitor. Has been.

特許文献1には、
(1)ストーバー法を用いてシリカ粒子を作製し、
(2)シリカ粒子分散液にメルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPS)を加えて反応させることにより、3−メルカプトプロピル改質シリカ粒子を作製し、
(3)改質シリカ粒子の分散液にBi−EDTA錯体溶液を滴下し、改質シリカ粒子の表面をBiにより錯化し、さらに、
(4)表面がBiで錯化された改質シリカ粒子の分散液にNaHTe溶液を加える
ことにより得られるシリカコア/Bi2Te3シェル型粒子が開示されている。
同文献には、このようなコア/シェル型粒子を含む熱電材料は、バルク材料に比べて熱電特性が向上する点が記載されている。
In Patent Document 1,
(1) Silica particles are produced using the Stover method,
(2) 3-mercaptopropyl-modified silica particles are produced by adding mercaptopropyltrimethoxysilane (MPS) to the silica particle dispersion and reacting them.
(3) A Bi-EDTA complex solution is dropped into the modified silica particle dispersion, the surface of the modified silica particles is complexed with Bi,
(4) Silica core / Bi 2 Te 3 shell type particles obtained by adding a NaHTe solution to a dispersion of modified silica particles whose surface is complexed with Bi are disclosed.
This document describes that a thermoelectric material containing such core / shell type particles has improved thermoelectric properties compared to a bulk material.

非特許文献2には、
(1)CVD法を用いてPb0.75Sn0.25Te粒子を作製し、
(2)Pb0.75Sn0.25Te粒子とSeとをエチレンジアミンに分散させ、分散液をオートクレーブに入れて、130℃×20hの水熱処理を行う
ことにより得られる2次元コートナノ構造が開示されている。
同文献には、
(a)このような方法により、ミクロンサイズのPb0.75Sn0.25Te粒子の表面に、約30nmのPb0.75Sn0.25Se結晶層を形成することができる点、及び、
(b)両者は、電子構造が類似で、かつ、格子定数が異なるため、このようなナノ構造は、キャリアの散乱が低く、かつ、フォノンの散乱が大きくなると予想される点、
が記載されている。
Non-Patent Document 2 includes
(1) Pb 0.75 Sn 0.25 Te particles are produced using a CVD method,
(2) Disclosed is a two-dimensional coated nanostructure obtained by dispersing Pb 0.75 Sn 0.25 Te particles and Se in ethylenediamine, placing the dispersion in an autoclave, and performing hydrothermal treatment at 130 ° C. for 20 hours. .
In the same document,
(A) By such a method, a Pb 0.75 Sn 0.25 Se crystal layer of about 30 nm can be formed on the surface of micron-sized Pb 0.75 Sn 0.25 Te particles; and
(B) Since both have similar electronic structures and different lattice constants, such nanostructures are expected to have low carrier scattering and high phonon scattering,
Is described.

非特許文献3には、
(1)ZrNiSn粉末に対してZrO2ナノ粒子を2〜6vol%加えて混合し、引き続き3日間アニール処理し、
(2)得られた粉末を放電プラズマ焼結させる
熱電材料の製造方法が開示されている。
同文献には、
(a)ZrO2ナノ粒子は、主として粒界に存在する点、及び、
(b)650Kより高い温度でのZTの増分は、それぞれ、ZrNiSn−2vol%ZrO2で約10%、ZrNiSn−6vol%ZrO2で約15%(ZTの絶対値で約0.22)になる点
が記載されている。
Non-Patent Document 3 includes
(1) 2-6 vol% of ZrO 2 nanoparticles are added to the ZrNiSn powder and mixed, followed by annealing for 3 days,
(2) A method for producing a thermoelectric material in which the obtained powder is subjected to spark plasma sintering is disclosed.
In the same document,
(A) ZrO 2 nanoparticles are mainly present at grain boundaries, and
(B) ZT increments at temperatures above 650K consists respectively, about 10% ZrNiSn-2vol% ZrO 2, about 15% ZrNiSn-6vol% ZrO 2 (about 0.22 in the absolute value of ZT) Points are listed.

特許文献2には、
(1)所定量のFe、Al、V、及びSiを秤量し、この粉末をメカニカルアロイングすることによりFe2VAl0.9Si0.1合金粉末を作製し、
(2)合金粉末にBiを加えてさらに混合し、
(3)混合粉末を放電プラズマ焼結させる
熱電材料の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、Fe2VAl0.9Si0.1合金粒子を取り囲むようにBi層が形成された熱電材料が得られる点が記載されている。
In Patent Document 2,
(1) Weighing a predetermined amount of Fe, Al, V, and Si, and mechanically alloying this powder to produce a Fe 2 VAl 0.9 Si 0.1 alloy powder;
(2) Bi is added to the alloy powder and further mixed,
(3) A method of manufacturing a thermoelectric material in which mixed powder is subjected to discharge plasma sintering is disclosed.
This document describes that a thermoelectric material in which a Bi layer is formed so as to surround Fe 2 VAl 0.9 Si 0.1 alloy particles can be obtained by such a method.

さらに、特許文献3には、熱電材料ではないが、
(1)回転容器の中にアルミナとセリアの混合粉末を入れ、
(2)容器を回転させながら、Pt板からなるターゲットにレーザー光を照射し、転動している粉末に飛散粒子を付着させる
粉末状基材の表面改質方法が開示されている。
Furthermore, in Patent Document 3, although it is not a thermoelectric material,
(1) Put the mixed powder of alumina and ceria in a rotating container,
(2) A method for surface modification of a powdery substrate is disclosed in which a target made of a Pt plate is irradiated with laser light while rotating a container, and scattered particles are attached to the rolling powder.

粒子表面をコーティングする方法には、上述したように、化学溶液法などの湿式法と、気相法などの乾式法が報告されている。これらの内、湿式法は、比較的均一なコーティングが可能であるという利点がある。
しかしながら、湿式法は、コーティングする物質の原料を溶媒に溶解する必要があるため、使用できるコーティング物質が限定される。また、原料は、イオンの形で溶媒に溶解するため、カウンターイオンや溶媒等が残留し、粒子が汚染される問題がある。さらに、溶液中で熱処理を行うため、母相材料の酸化も問題となる。また、溶液中でナノ粒子を生成させ、被覆を行う場合(特に金属間化合物からなる母相粉末を使用する場合)には、還元反応が必要なため、適用可能な物質がかなり制限される。
As described above, wet methods such as a chemical solution method and dry methods such as a gas phase method have been reported as methods for coating the particle surface. Among these, the wet method has an advantage that a relatively uniform coating is possible.
However, since the wet method needs to dissolve the raw material of the material to be coated in a solvent, the coating materials that can be used are limited. Further, since the raw material is dissolved in a solvent in the form of ions, there is a problem that the counter ions, the solvent, etc. remain and the particles are contaminated. Furthermore, since the heat treatment is performed in the solution, oxidation of the matrix material is also a problem. In addition, when a nanoparticle is generated in a solution and coating is performed (particularly when a matrix powder composed of an intermetallic compound is used), a reduction reaction is necessary, so that applicable substances are considerably limited.

また、例えば、ボールミルを使用して母相粉末とナノ粒子とを湿式で混合する場合、ナノ粒子は母相粉末の周りに付着するが、均一な薄膜を形成するのは困難である。実際に、熱電材料からなる母相粉末と、酸化物ゾルと、ボールミルとを用いた被覆法を検討したが、均一な被膜は形成されなかった。また、酸化物ゾルに含まれる溶媒が残留し、残留溶媒による反応等で母相が分解し、ゼーベック係数が低下するという問題が生じた。   Further, for example, when the mother phase powder and the nanoparticles are wet mixed using a ball mill, the nanoparticles adhere around the mother phase powder, but it is difficult to form a uniform thin film. Actually, a coating method using a matrix powder composed of a thermoelectric material, an oxide sol, and a ball mill was examined, but a uniform film was not formed. Moreover, the solvent contained in oxide sol remained, the mother phase decomposed | disassembled by reaction etc. by a residual solvent, and the problem that Seebeck coefficient fell occurred.

これに対し、乾式法は、原料を溶媒に溶かす必要がないため、コーティング物質の制約がないという利点がある。特に、レーザーアブレーションを利用して母相粉末の表面をコーティングする方法は、材料の制約を受けることなく、母相粉末の表面を種々の材料で比較的均一に被覆することができる。また、残留溶媒等により母相粉末が分解するおそれも少ない。
しかしながら、従来のレーザーアブレーション法では、母相粉末の表面を異種材料で薄く、かつ、均一に被覆するには限界がある。
On the other hand, the dry method has an advantage that there is no restriction on the coating substance because it is not necessary to dissolve the raw material in the solvent. In particular, the method of coating the surface of the mother phase powder using laser ablation can coat the surface of the mother phase powder with various materials relatively uniformly without being restricted by the material. Moreover, there is little possibility that the matrix powder is decomposed by the residual solvent or the like.
However, in the conventional laser ablation method, there is a limit to uniformly and uniformly coat the surface of the matrix powder with a different material.

特開2008−147625号公報JP 2008-147625 A 特開2008−192652号公報JP 2008-192652 A 特開2009−024196号公報JP 2009-024196 A

T.Hatano et al., Journal of the European Ceramic Society 24(2004)507-510T. Hatano et al., Journal of the European Ceramic Society 24 (2004) 507-510 B.Zhang et al., Applied Physics Letter89 163114(2006)B. Zhang et al., Applied Physics Letter 89 163114 (2006) X.Y.Huang et al., Solid State Communication 130(2004)181-185X.Y.Huang et al., Solid State Communication 130 (2004) 181-185

本発明が解決しようとする課題は、MNiSn系ハーフホイスラー化合物(M=Ti、Zr、Hf)を母相とし、母相の周囲が所定の金属酸化物からなる薄くかつ均一な酸化物層で被覆された複合熱電材料及びその製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is that a MNiSn half-Heusler compound (M = Ti, Zr, Hf) is used as a parent phase, and the periphery of the parent phase is covered with a thin and uniform oxide layer made of a predetermined metal oxide. An object of the present invention is to provide a composite thermoelectric material and a manufacturing method thereof.

上記課題を解決するために本発明に係る複合熱電材料は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(a)前記複合熱電材料は、
熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相と、
前記母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物からなり、前記母相の周囲を連続的かつ層状に被覆する酸化物層と、
を備えている。
(b)前記母相は、(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
(c)前記複合熱電材料は、(2)式で表される界面被覆率が50%以上である。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
In order to solve the above problems, a composite thermoelectric material according to the present invention is summarized as having the following configuration.
(A) The composite thermoelectric material is
A matrix composed of a thermoelectric material and consisting of one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains,
An oxide layer comprising a metal oxide having a band gap equal to or larger than the matrix, and covering the periphery of the matrix in a continuous and layered manner;
It has.
(B) The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.
(C) The composite thermoelectric material has an interface coverage represented by the formula (2) of 50% or more.
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).

本発明に係る複合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。
(a)前記複合熱電材料の製造方法は、
熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相粉末を作製する粉末作製工程と、
前記母相粉末を転動させながら、前記母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物を生成可能な物質からなるターゲットの表面にレーザー光を照射することにより、前記母相粉末の周囲を前記金属酸化物からなる酸化物層で連続的かつ層状に被覆するPLD工程と
を備えている。
(b)前記母相は、(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
(c)前記PLD工程は、(2)式で表される界面被覆率が50%以上となるように、前記母相粉末の転動及び前記レーザー光の照射を行うものである。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
The manufacturing method of the composite thermoelectric material which concerns on this invention makes it a summary to have the following structures.
(A) The method for producing the composite thermoelectric material is as follows:
A powder production step of producing a matrix powder composed of a thermoelectric material and comprising one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains;
By irradiating the surface of the target made of a substance capable of generating a metal oxide having a band gap larger than that of the parent phase while rolling the parent phase powder, the periphery of the parent phase powder is surrounded by the metal. And a PLD step of continuously and layer-covering with an oxide layer made of an oxide.
(B) The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.
(C) In the PLD process, rolling of the matrix powder and irradiation of the laser beam are performed so that the interface coverage represented by the formula (2) is 50% or more.
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).

MNiSn系ハーフホイスラー化合物からなる母相粉末を回転可能な容器に入れ、レーザーアブレーションにより母相粉末の表面を酸化物層で被覆する場合において、母相粉末の転動を十分に行うと、母相粉末の表面が薄くかつ均一な酸化物層で被覆された複合熱電材料からなる粉末が得られる。このような粉末を成形・焼結すると、母相の周囲が薄くかつ均一な酸化物層で被覆された複合熱電材料からなる焼結体が得られる。
得られた複合熱電材料は、酸化物層のバンドギャップが母相より大きいため、両者の界面にはエネルギー障壁が形成される。この障壁は、低エネルギーキャリアや小数キャリアの伝導を阻害する(フィルター効果)。その結果、電気伝導度σを大きく低下させることなく、複合熱電材料のゼーベック係数Sが増大する。
また、母相と酸化物層との界面では、格子のミスマッチによりフォノン伝導が阻害される。その結果、複合熱電材料の熱伝導度κが減少する。
When the mother phase powder composed of the MNiSn-based half-Heusler compound is put in a rotatable container and the surface of the mother phase powder is coated with an oxide layer by laser ablation, the mother phase powder is sufficiently rolled. A powder composed of a composite thermoelectric material in which the surface of the powder is coated with a thin and uniform oxide layer is obtained. When such a powder is molded and sintered, a sintered body made of a composite thermoelectric material in which the periphery of the matrix phase is coated with a thin and uniform oxide layer is obtained.
In the obtained composite thermoelectric material, the band gap of the oxide layer is larger than that of the parent phase, so that an energy barrier is formed at the interface between the two. This barrier hinders the conduction of low energy carriers and minority carriers (filter effect). As a result, the Seebeck coefficient S of the composite thermoelectric material increases without significantly reducing the electrical conductivity σ.
In addition, phonon conduction is hindered by lattice mismatch at the interface between the parent phase and the oxide layer. As a result, the thermal conductivity κ of the composite thermoelectric material is reduced.

AgAsMg型結晶構造の単位胞を示す図である。It is a figure which shows the unit cell of AgAsMg type | mold crystal structure. パルスレーザーデポジション(PLD)装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a pulse laser deposition (PLD) apparatus. 回転式容器の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a rotary container. 図4(a)は、突起のない回転式容器を用いて粉末を転動させたときの粉末の挙動を示す模式図である。図4(b)は、突起のある回転式容器を用いて粉末を転動させたときの粉末の挙動を示す模式図である。FIG. 4A is a schematic diagram showing the behavior of the powder when the powder is rolled using a rotary container without protrusions. FIG. 4B is a schematic diagram showing the behavior of the powder when the powder is rolled using a rotary container having protrusions. 図5(a)は、実施例1(PLD法、突起有り)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真である。図5(b)は、比較例4(PLD法、突起無し)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真である。FIG. 5A is an SEM photograph of the ZrNiSn / 1 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Example 1 (PLD method, with protrusions). FIG. 5B is an SEM photograph of the ZrNiSn / 1 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Comparative Example 4 (PLD method, no projection). 図6(a)は、比較例2(溶液法)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真である。図6(b)は、比較例3(溶液法)で得られたZrNiSn/5vol%ZrO2焼結体のSEM写真である。FIG. 6A is an SEM photograph of the ZrNiSn / 1 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Comparative Example 2 (solution method). FIG. 6B is an SEM photograph of the ZrNiSn / 5 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Comparative Example 3 (solution method). 組成及び作製法の異なるZrNiSn系焼結体のゼーベック係数の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the ZrNiSn type sintered compact from which a composition and preparation methods differ.

以下に本発明の一実施の形態につて詳細に説明する。
[1. 複合熱電材料]
本発明に係る複合熱電材料は、
熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相と、
前記母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物からなり、前記母相の周囲を連続的かつ層状に被覆する酸化物層と、
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Composite thermoelectric material]
The composite thermoelectric material according to the present invention is
A matrix composed of a thermoelectric material and consisting of one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains,
An oxide layer comprising a metal oxide having a band gap equal to or larger than the matrix, and covering the periphery of the matrix in a continuous and layered manner;
It has.

[1.1. 母相]
母相は、所定の組成を有するハーフホイスラー化合物を主相として含む。
[1.1.1. 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。本実施の形態に係る熱電材料の主相を構成するMNiSn系化合物(M=Ti、Zr、Hf)は、AgAsMg型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物の一種である。
図1において、X原子及びZ原子は、それぞれ、4a(0、0、0)サイト(以下、単に「Mサイト」という。)及び4b(1/2、1/2、1/2)サイト(以下、単に、「Sn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。MサイトとSnサイトは、等価である。
Y原子は、X原子及びZ原子で構成される8つの立方体の体心の内、対角にある4つの体心、すなわち、4c(1/4、1/4、1/4)サイト(以下、単に「Niサイト」という。)に位置している。他の体心位置、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、通常、空になっている。
後述するように、Snサイト原子に対してNiサイト原子を過剰にすると、過剰のNiサイト原子は、4dサイトに入る。
[1.1. Mother phase]
The parent phase includes a half-Heusler compound having a predetermined composition as a main phase.
[1.1.1. 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 MNiSn compound (M = Ti, Zr, Hf) constituting the main phase of the thermoelectric material according to the present embodiment is a kind of half-Heusler compound having an AgAsMg type crystal structure.
In FIG. 1, X atom and Z atom are respectively 4a (0, 0, 0) site (hereinafter simply referred to as “M site”) and 4b (1/2, 1/2, 1/2) site ( Hereinafter, it is simply referred to as “Sn site”), and the X atom and the Z atom form a rock salt structure. The M site and the Sn site are equivalent.
The Y atom has four body centers on the diagonal, that is, 4c (1/4, 1/4, 1/4) sites (hereinafter referred to as “8”) among the body centers of 8 cubes composed of X atoms and Z atoms. , Simply called “Ni site”). The other body center positions, that is, 4d (3/4, 3/4, 3/4) sites (hereinafter simply referred to as “4d sites”) are usually empty.
As will be described later, when the Ni site atoms are excessive with respect to the Sn site atoms, the excess Ni site atoms enter the 4d site.

[1.1.2. 価電子数]
ドーパントを含まないハーフホイスラー化合物XYZの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(a)式で表される。
#e=(#e+#e+#e)/3 ・・・(a)
ここで、#e、#e及び#e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、#e、#e及び#e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。
[1.1.2. Number of valence electrons]
The number of valence electrons per atom of the half-Heusler compound XYZ containing no dopant 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 (a).
#E = (# e X + # e Y + # e Z) / 3 ··· (a)
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.

Figure 0005671985
Figure 0005671985

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XYZのいずれか1以上のサイトにおいて、主構成元素と価電子数の等しい同族元素をドーピングすると、フォノン散乱が増大する。その結果、熱伝導度κが低下する。
一方、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XYZのいずれか1以上のサイトにおいて、主構成元素とは価電子数の異なる元素をドーピングすると、原子当たりの価電子数が変化する。その結果、電気伝導度σが増大し、ゼーベック係数Sが増大し、あるいは熱伝導度κが低下する。
When any one or more sites of the half-Heusler compound XYZ having 6 valence electrons per atom are doped with a homologous element having the same number of valence electrons as the main constituent element, phonon scattering increases. As a result, the thermal conductivity κ decreases.
On the other hand, when any one or more sites of the half-Heusler compound XYZ having 6 valence electrons per atom are doped with an element having a valence electron number different from that of the main constituent element, the valence electron number per atom changes. As a result, the electrical conductivity σ increases, the Seebeck coefficient S increases, or the thermal conductivity κ decreases.

ドーピングは、1つのサイトの主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以上のサイトの主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 may replace only the main constituent element of one site, or may replace main constituent elements of 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.

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。このようなハーフホイスラー化合物の主構成元素の一部を、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、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の主構成元素の一部を、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, half-Heusler compounds often have n-type thermoelectric materials because electrons are the dominant carrier even if the number of valence electrons per atom is six. When a part of the main constituent element of such a half-Heusler compound is replaced with an element having a larger valence number (hereinafter referred to as “n-type dopant”), the number of valence electrons per atom is larger than 6. A 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 main constituent element of the half-Heusler compound having 6 valence electrons per atom is replaced with an element having a smaller valence electron number (hereinafter referred to as “p-type dopant”), A half-Heusler compound having a valence electron count of less than 6 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。すなわち、同一又は異なるサイトにおいて、主構成元素より価電子数の大きな元素と、小さな元素を同時に添加しても良い。また、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主構成元素の一部を価電子数の異なる原子で置換した場合であっても、熱電特性が向上する。これは、
(1) 元素置換によって熱伝導度κが小さくなるため、
(2) 電子構造が変化し、フェルミレベル近傍の状態密度のエネルギーに対する傾きが急峻になることにより、ゼーベック係数Sが増大するため、あるいは、
(3) p型ドーパントとn型ドーパントが局所的なダイポールを形成するため、ドーパントによるクーロン力を遮蔽し、キャリア移動度の低下を抑制するため、
と考えられる。
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. That is, at the same or different sites, an element having a larger valence electron number than the main constituent element and a smaller element may be added simultaneously. Further, even when a part of the main constituent elements occupying at least two sites is substituted with atoms having different valence electrons so that the number of valence electrons per atom is maintained at 6, the thermoelectric characteristics are improved. . this is,
(1) Since the thermal conductivity κ is reduced by element substitution,
(2) Since the electronic structure changes and the slope of the density of states near the Fermi level becomes steep, the Seebeck coefficient S increases, or
(3) Since the p-type dopant and the n-type dopant form a local dipole, the Coulomb force due to the dopant is shielded and the decrease in carrier mobility is suppressed.
it is conceivable that.
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.

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のが好ましい。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、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、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。
The half-Heusler compound is preferably doped so that the number of valence electrons per atom after doping is 5.9 or more and 6.1 or less. When the number of valence electrons per atom is less than 5.9 and exceeds 6.1, the half-Heusler compound becomes metallic and high thermoelectric characteristics cannot be obtained.
In general, the Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ that govern thermoelectric properties are all functions of carrier concentration. Therefore, in order to obtain high thermoelectric properties, it is preferable to select an optimal value for the number of valence electrons per atom according to the composition of the half-Heusler compound.

[1.1.3. 構成元素]
母相は、次の(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
[1.1.3. Constituent elements]
The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the following formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.

「A」は、Mサイトを置換する元素(ドーパント)を表す。元素Aは、IIIa族元素(21Sc、39Y)、Ti、Zr、及びHfを除くIVa族元素(90Th)、Va族元素(23V、41Nb、73Ta)、又は希土類元素(57La〜71Lu)のいずれであっても良い。
「B」は、Niサイトを置換する元素(ドーパント)を表す。元素Bは、Niを除くVIIIa族元素(26Fe、27Co、44Ru、45Rh、46Pd、76Os、77Ir、78Pt)、又はIb族元素(29Cu、47Ag、79Au)のいずれであっても良い。
「C」は、Snサイトを置換する元素(ドーパント)を表す。元素Cは、IIIb族元素(5B、13Al、31Ga、49In、81Tl)、Snを除くIVb族元素(6C、14Si、32Ge、82Pb)、又はVb族元素(7N、15P、33As、51Sb、83Bi)のいずれであっても良い。
“A” represents an element (dopant) that replaces the M site. The element A is a group IIIa element ( 21 Sc, 39 Y), a group IVa element ( 90 Th) excluding Ti, Zr, and Hf, a group Va element ( 23 V, 41 Nb, 73 Ta), or a rare earth element ( 57 Any of La to 71 Lu) may be used.
“B” represents an element (dopant) that replaces the Ni site. Element B, VIIIa group elements excluding Ni (26 Fe, 27 Co, 44 Ru, 45 Rh, 46 Pd, 76 Os, 77 Ir, 78 Pt), or Ib group element (29 Cu, 47 Ag, 79 Au) Either may be sufficient.
“C” represents an element (dopant) that replaces the Sn site. Element C is, IIIb group elements (5 B, 13 Al, 31 Ga, 49 In, 81 Tl), IVb group elements excluding Sn (6 C, 14 Si, 32 Ge, 82 Pb), or Vb group element (7 N, 15 P, 33 As, 51 Sb, 83 Bi).

これらの中でも、元素Aは、39Yが好ましい。また、元素Bは、27Co及び29Cuから選ばれるいずれか1種以上が好ましい。さらに、元素Cは、13Al、14Si及び51Sbから選ばれるいずれか1種以上が好ましい。
これらの元素は、比較的安価であり、しかも熱伝導度κを大幅に増大させることなく、出力因子PFを増大させる効果が大きいので、各サイトを置換する元素として好適である。
Among these, the element A is preferably 39 Y. The element B is preferably one or more selected from 27 Co and 29 Cu. Furthermore, the element C is preferably any one or more selected from 13 Al, 14 Si, and 51 Sb.
Since these elements are relatively inexpensive and have a great effect of increasing the output factor PF without significantly increasing the thermal conductivity κ, they are suitable as elements for substituting each site.

「a」は、元素AによるMサイトの置換量を表す。「b」は、元素BによるNiサイトの置換量を表す。「c」は、元素CによるSnサイトの置換量を表す。
一般に、各サイトの主構成元素を、これとは価電子数が同一又は異なる元素で置換すると、キャリア濃度が増大し、あるいは、フォノン散乱が増大する。しかしながら、各サイトの置換量が過剰になると、異相の生成割合が増大し、かえって熱電特性が低下する。従って、a、b、cは、それぞれ、0.1未満とする必要がある。a、b、cは、それぞれ、さらに好ましくは、0.05以下である。
“A” represents the amount of substitution of the M site by the element A. “B” represents the amount of substitution of Ni sites by element B. “C” represents the amount of substitution of Sn sites by element C.
In general, when the main constituent element of each site is replaced with an element having the same or different valence electron number, the carrier concentration increases or phonon scattering increases. However, if the amount of substitution at each site is excessive, the rate of heterogeneous formation increases, and the thermoelectric properties deteriorate. Therefore, a, b, and c must each be less than 0.1. Each of a, b, and c is more preferably 0.05 or less.

「x」は、Mサイトを占める元素(M+A)の化学量論組成からのずれを表す。(M+A)量が化学量論組成からずれても、ハーフホイスラー相の格子欠陥や熱電特性に与える影響は、比較的少ない。
しかしながら、(M+A)量が化学量論組成に比べて少なくなり過ぎると、フルホイスラーMNi2Sn(M=Ti、Zr、Hf)、Sn、Ni、Ni−Sn合金などの異相が析出するという問題がある。従って、xは、−0.1以上である必要がある。xは、さらに好ましくは、−0.05以上、さらに好ましくは、−0.01以上である。
一方、(M+A)量が化学量論組成に比べて過剰になると、過剰な元素Mを主成分とする異相(例えば、金属Ti相、Ti6Sn5など)が材料中に析出する。従って、xは、0.2以下である必要がある。xは、さらに好ましくは、0.15以下、さらに好ましくは、0.1以下である。
“X” represents a deviation from the stoichiometric composition of the element (M + A) occupying the M site. Even if the amount of (M + A) deviates from the stoichiometric composition, the influence on the lattice defects and thermoelectric properties of the half-Heusler phase is relatively small.
However, if the amount of (M + A) becomes too small compared to the stoichiometric composition, a problem that different phases such as full Heusler MNi 2 Sn (M = Ti, Zr, Hf), Sn, Ni, Ni—Sn alloy precipitate. There is. Therefore, x needs to be −0.1 or more. x is more preferably −0.05 or more, and further preferably −0.01 or more.
On the other hand, when the amount of (M + A) is excessive as compared with the stoichiometric composition, a heterogeneous phase (for example, metal Ti phase, Ti 6 Sn 5, etc.) mainly containing excess element M is precipitated in the material. Therefore, x needs to be 0.2 or less. x is more preferably 0.15 or less, and still more preferably 0.1 or less.

「y」は、Niサイトを占める元素(Ni+B)の化学量論組成からのずれを表す。ハーフホイスラー相は、化学量論組成(y=0)であっても良い。
一方、Snサイトを占める元素(Sn+C)の量に対して、(Ni+B)量が過剰になると、過剰な(Ni+B)が4dサイトに導入される。4dサイトに導入された(Ni+B)は、出力因子PFを低下させることなく、ハーフホイスラー相の熱伝導度κを低下させる作用がある。従って、yは、0より大きいことが好ましい。
一方、(Ni+B)量が化学量論組成に比べて過剰になると、フルホイスラー相が材料中に析出する。フルホイスラー相は金属的であるため、フルホイスラー相の析出は、熱電特性を低下させる原因となる。従って、yは、0.2以下である必要がある。
“Y” represents a deviation from the stoichiometric composition of the element (Ni + B) occupying the Ni site. The half-Heusler phase may have a stoichiometric composition (y = 0).
On the other hand, when the amount of (Ni + B) is excessive with respect to the amount of element (Sn + C) occupying the Sn site, excess (Ni + B) is introduced into the 4d site. (Ni + B) introduced into the 4d site has the effect of reducing the thermal conductivity κ of the half-Heusler phase without reducing the output factor PF. Therefore, y is preferably larger than 0.
On the other hand, when the amount of (Ni + B) is excessive as compared with the stoichiometric composition, a full Heusler phase is precipitated in the material. Since the full Heusler phase is metallic, the precipitation of the full Heusler phase causes a decrease in thermoelectric properties. Therefore, y needs to be 0.2 or less.

最適なy値は、ハーフホイスラー相の組成により異なる。
例えば、M=Tiである場合において、熱伝導度κを低減するためには、yは0.015以上が好ましく、さらに好ましくは0.047以上である。
一方、フルホイスラー相の析出を抑制するためには、yは0.145以下が好ましく、さらに好ましくは0.123以下である。
また、例えば、M=Zrである場合において、熱伝導度κを低減するためには、yは0.01以上が好ましく、さらに好ましくは0.031以上、さらに好ましくは0.04以上である。
一方、フルホイスラー相の析出を抑制するためには、yは0.10以下が好ましく、さらに好ましくは0.06以下、さらに好ましくは0.05以下である。
The optimum y value depends on the composition of the half-Heusler phase.
For example, when M = Ti, y is preferably 0.015 or more, more preferably 0.047 or more, in order to reduce the thermal conductivity κ.
On the other hand, in order to suppress the precipitation of the full Heusler phase, y is preferably 0.145 or less, more preferably 0.123 or less.
For example, when M = Zr, in order to reduce the thermal conductivity κ, y is preferably 0.01 or more, more preferably 0.031 or more, and further preferably 0.04 or more.
On the other hand, in order to suppress the precipitation of the full Heusler phase, y is preferably 0.10 or less, more preferably 0.06 or less, and still more preferably 0.05 or less.

[1.1.4. ハーフホイスラー化合物の格子定数]
(Ni+B)量を化学量論組成よりも過剰とし、製造条件を最適化すると、過剰の(Ni+B)が4dサイトに入る。その結果、MNiSn系ハーフホイスラー化合物の格子定数が増加する。すなわち、格子定数の増加は、4dサイトに導入された(Ni+B)量と相関がある。
[1.1.4. Lattice constant of half-Heusler compound]
When the amount of (Ni + B) is made to exceed the stoichiometric composition and the manufacturing conditions are optimized, the excess (Ni + B) enters the 4d site. As a result, the lattice constant of the MNiSn half-Heusler compound increases. That is, the increase in lattice constant correlates with the amount of (Ni + B) introduced into the 4d site.

最適な格子定数は、ハーフホイスラー相の組成により異なる。
例えば、M=Tiである場合において、出力因子PFを低下させることなく、熱伝導度κを低下させるためには、ハーフホイスラー化合物(主相)の格子定数は、0.5933nm以上が好ましい。格子定数は、さらに好ましくは、0.5937nm以上である。
ドーパントを含まないTiNiSn焼結体の場合、Ni/Sn比を制御すると、ハーフホイスラー相の格子定数を変化させることができる。具体的には、y値を変化させることにより、格子定数が0.5929nm以上0.5942nm以下であるTiNiSn系ハーフホイスラー化合物が得られる。
一方、出力因子PFを向上させるために行ったY−Sb置換材では、格子定数が0.5947nmの材料を合成できる。従って、出力因子PFの高いTiNiSn系ハーフホイスラー化合物の格子定数の上限は、0.5947nmとなる。
The optimum lattice constant depends on the composition of the half-Heusler phase.
For example, when M = Ti, in order to reduce the thermal conductivity κ without reducing the output factor PF, the lattice constant of the half-Heusler compound (main phase) is preferably 0.5933 nm or more. The lattice constant is more preferably 0.5937 nm or more.
In the case of a TiNiSn sintered body containing no dopant, the lattice constant of the half-Heusler phase can be changed by controlling the Ni / Sn ratio. Specifically, a TiNiSn half-Heusler compound having a lattice constant of 0.5929 nm or more and 0.5942 nm or less can be obtained by changing the y value.
On the other hand, with a Y—Sb substitution material made to improve the output factor PF, a material having a lattice constant of 0.5947 nm can be synthesized. Therefore, the upper limit of the lattice constant of the TiNiSn half-Heusler compound having a high output factor PF is 0.5947 nm.

また、例えば、M=Zrである場合において、出力因子PFを低下させることなく、熱伝導度κを低下させるためには、ハーフホイスラー化合物(主相)の格子定数は、0.6110nm以上が好ましい。格子定数は、さらに好ましくは、0.6115nm以上、さらに好ましくは、0.6118nm以上である。
一方、出力因子PFを向上させるために、Zrサイト、Niサイト及びSnサイトのいずれか1以上のサイトにドーピングを施すと、格子定数が最大で0.6130nmであるZrNiSn系ハーフホイスラー化合物が得られる。
ドーパントを含まないZrNiSn焼結体の場合、Ni/Sn比を制御すると、ハーフホイスラー相の格子定数を変化させることができる。具体的には、y値を変化させることにより、格子定数が0.6110nm以上0.6130nm以下であるZrNiSn系ハーフホイスラー化合物が得られる。
For example, when M = Zr, in order to reduce the thermal conductivity κ without reducing the output factor PF, the lattice constant of the half-Heusler compound (main phase) is preferably 0.6110 nm or more. . The lattice constant is more preferably 0.6115 nm or more, and still more preferably 0.6118 nm or more.
On the other hand, in order to improve the output factor PF, if any one of Zr sites, Ni sites and Sn sites is doped, a ZrNiSn half-Heusler compound having a maximum lattice constant of 0.6130 nm is obtained. .
In the case of a ZrNiSn sintered body containing no dopant, the lattice constant of the half-Heusler phase can be changed by controlling the Ni / Sn ratio. Specifically, by changing the y value, a ZrNiSn half-Heusler compound having a lattice constant of 0.6110 nm to 0.6130 nm can be obtained.

[1.1.5. 不純物]
本発明に係る複合熱電材料は、上述したMNiSn系ハーフホイスラー化合物及び後述する酸化物層のみからなることが望ましいが、不可避的不純物(異相)が含まれていても良い。但し、熱電特性に悪影響を与える異相は、少ない方が好ましい。
さらに、本実施の形態に係る複合熱電材料は、母相及び酸化物層からなる複合粒子と、他の材料(例えば、樹脂、ゴム等)との複合体であっても良い。
[1.1.5. impurities]
The composite thermoelectric material according to the present invention preferably includes only the above-described MNiSn half-Heusler compound and an oxide layer described later, but may contain inevitable impurities (heterophase). However, it is preferable that the number of heterogeneous phases that adversely affect thermoelectric properties is small.
Furthermore, the composite thermoelectric material according to the present embodiment may be a composite of composite particles composed of a parent phase and an oxide layer and other materials (for example, resin, rubber, etc.).

ここで、「異相」とは、MNiSn系ハーフホイスラー化合物及び酸化物層とは異なる相をいう。異相の中でも電気伝導度σの高いものは、系全体の電気伝導度σを高める原因となる。一般に、電気伝導度σと熱伝導度κとは正の相関があり、電気伝導度σが高くなるほど、熱伝導度κも高くなる。そのため、電気伝導度σの高い異相の含有量が多くなり、電気伝導度σの増分に比べて熱伝導度κの増分が大きくなると、系全体の性能指数Zが低下する。
上述したように、(Ni+B)量が過剰になると、母相中にフルホイスラー相が析出する場合がある。フルホイスラー相は金属相であるため、フルホイスラー相の析出は熱電特性を低下させる原因となる。
Here, the “different phase” refers to a phase different from the MNiSn half-Heusler compound and the oxide layer. Among the different phases, those having a high electric conductivity σ cause an increase in the electric conductivity σ of the entire system. In general, the electrical conductivity σ and the thermal conductivity κ have a positive correlation, and the higher the electrical conductivity σ, the higher the thermal conductivity κ. Therefore, when the content of the different phase having a high electric conductivity σ is increased and the increase in the thermal conductivity κ is larger than the increase in the electric conductivity σ, the figure of merit Z of the entire system is lowered.
As described above, when the amount of (Ni + B) becomes excessive, a full Heusler phase may be precipitated in the parent phase. Since the full Heusler phase is a metal phase, the precipitation of the full Heusler phase causes a decrease in thermoelectric properties.

許容される不純物量は、ハーフホイスラー相の組成により異なる。
例えば、M=Tiである場合において、高い熱電特性を得るためには、最強線ピーク強度比は、18%未満が好ましい。最強線ピーク強度比は、さらに好ましくは、10%以下、さらに好ましくは、5%以下である。
また、例えば、M=Zrである場合において、高い熱電特性を得るためには、最強線ピーク強度比は、6%未満が好ましい。最強線ピーク強度比は、さらに好ましくは、5%以下、さらに好ましくは、4%以下である。
ここで、最強線ピーク強度比とは、次の(b)式で表される値をいう。
最強線ピーク強度比=IFULL(220)×100/IHALF(220) ・・・(b)
但し、IHALF(220)は、熱電材料中に含まれるハーフホイスラー相のX線回折における最強線ピーク強度である。IFULL(220)は、熱電材料中に含まれるフルホイスラー相のX線回折における最強線ピーク強度である。
The amount of impurities allowed depends on the composition of the half-Heusler phase.
For example, when M = Ti, in order to obtain high thermoelectric characteristics, the strongest peak intensity ratio is preferably less than 18%. The strongest line peak intensity ratio is more preferably 10% or less, and still more preferably 5% or less.
For example, when M = Zr, in order to obtain high thermoelectric characteristics, the strongest peak intensity ratio is preferably less than 6%. The strongest line peak intensity ratio is more preferably 5% or less, and still more preferably 4% or less.
Here, the strongest line peak intensity ratio means a value represented by the following equation (b).
Strongest peak intensity ratio = I FULL (220) x 100 / I HALF (220) (b)
However, I HALF (220) is the strongest peak intensity in the X-ray diffraction of the half-Heusler phase contained in the thermoelectric material. I FULL (220) is the strongest line peak intensity in the X-ray diffraction of the full Heusler phase contained in the thermoelectric material.

[1.1.6. 熱電特性]
上述したように、(Ni+B)/(Sn+C)比を1より大きくしたり(y>0)、あるいは、Mサイト、Niサイト及びSnサイトのいずれか1以上にドーパントを添加すると、母相の熱電特性が向上する。
例えば、M=Tiである場合において、y>0とすると、ZrやHfのような重元素を添加しなくても、室温における母相の熱伝導度κを4W/mK以下にすることができる。また、Mサイト、Niサイト及びSnサイトのいずれにもドーパントを添加しない場合であっても、室温での母相のZT値を0.05以上にすることができる。さらに、母相のZT値を0.07以上にすることも可能となる。
また、例えば、M=Zrである場合において、y>0とすると、Hfのような重元素を添加しなくても、室温における母相の熱伝導度κを6.7W/mK以下にすることができる。また、Mサイト、Niサイト及びSnサイトのいずれにもドーパントを添加しない場合であっても、773〜873Kでの母相のZT値を0.35以上にすることができる。
[1.1.6. Thermoelectric characteristics]
As described above, if the (Ni + B) / (Sn + C) ratio is made larger than 1 (y> 0), or if a dopant is added to any one or more of the M site, Ni site, and Sn site, the thermoelectric of the parent phase Improved characteristics.
For example, in the case of M = Ti, if y> 0, the thermal conductivity κ of the matrix at room temperature can be 4 W / mK or less without adding heavy elements such as Zr and Hf. . Even when no dopant is added to any of the M site, Ni site, and Sn site, the ZT value of the matrix at room temperature can be 0.05 or more. Furthermore, the ZT value of the parent phase can be made 0.07 or more.
For example, in the case of M = Zr, if y> 0, the thermal conductivity κ of the parent phase at room temperature should be 6.7 W / mK or less without adding a heavy element such as Hf. Can do. Even when no dopant is added to any of the M site, Ni site, and Sn site, the ZT value of the parent phase at 773 to 873 K can be 0.35 or more.

[1.1.7. 母相のサイズ]
母相は、1個の結晶粒からなるものでも良く、あるいは、複数個の結晶粒の集合体であっても良い。
母相が1個の結晶粒からなる場合、「母相のサイズ」とは、結晶粒の円相当径をいう。また、母相が複数個の結晶粒の集合体からなる場合、「母相のサイズ」とは、結晶粒の集合体の円相当径をいう。「円相当径」とは、結晶粒又は結晶粒の集合体の投影面積と同一の面積を有する円の直径をいう。
[1.1.7. Size of parent phase]
The parent phase may be composed of one crystal grain, or may be an aggregate of a plurality of crystal grains.
When the parent phase is composed of one crystal grain, the “size of the parent phase” refers to the equivalent circle diameter of the crystal grain. Further, when the parent phase is composed of an aggregate of a plurality of crystal grains, the “matrix phase size” refers to the equivalent circle diameter of the aggregate of crystal grains. “Equivalent circle diameter” refers to the diameter of a circle having the same area as the projected area of a crystal grain or an aggregate of crystal grains.

一般に、母相のサイズが小さくなるほど、フォノンの散乱効果が増大する。このような効果を得るためには、母相のサイズは、20μm以下が好ましい。母相のサイズは、さらに好ましくは、1μm以下である。
一方、母相のサイズは、製造可能な限りにおいて、小さいほど良い。しかしながら、母相のサイズが小さくなりすぎると、母相粒子が凝集し、母相の表面に均一に酸化物層を形成するのが困難となる。従って、母相のサイズは、0.1μm以上が好ましい。
In general, the smaller the size of the matrix, the greater the phonon scattering effect. In order to obtain such an effect, the size of the parent phase is preferably 20 μm or less. The size of the mother phase is more preferably 1 μm or less.
On the other hand, the size of the parent phase is preferably as small as possible. However, if the size of the matrix is too small, the matrix particles aggregate and it becomes difficult to form an oxide layer uniformly on the surface of the matrix. Therefore, the size of the parent phase is preferably 0.1 μm or more.

[1.2. 酸化物層]
酸化物層は、母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物からなり、母相の周囲を連続的かつ層状に被覆している。
[1.2. Oxide layer]
The oxide layer is made of a metal oxide having a band gap larger than that of the parent phase, and continuously covers the periphery of the mother phase in a layered manner.

[1.2.1. 組成]
酸化物層を構成する金属酸化物は、母相以上のバンドギャップを有するものからなる。母相の表面に、母相よりもバンドギャップの大きい酸化物層を形成すると、フィルター効果によりゼーベック係数Sが増大する。
このような金属酸化物としては、例えば、希土類酸化物、ZrO2、TiO2、HfO2、ZnO、アルカリ土類酸化物、SiO2、Al23、Ta25、Nb25、NiO、MnO、WO3、SnO、CoOなどがある。酸化物層は、これらのいずれか1種の金属酸化物からなるものでも良く、あるいは、2種以上の金属酸化物の混合物又は固溶体であっても良い。
これらの中でも、金属酸化物は、Al23、アルカリ土類酸化物、希土類酸化物、ZrO2、TiO2、HfO2、及び、ZnOから選ばれるいずれか1以上が好ましい。これは、これらの酸化物は、他の酸化物に比べて母相との反応性が低いためである。酸化物層と母相が反応すると、界面で欠陥準位が生じて母相のキャリア濃度が変化したり、酸化物層の絶縁性が低下してフィルター効果が得られない場合がある。
[1.2.1. composition]
The metal oxide constituting the oxide layer is made of a material having a band gap larger than that of the parent phase. When an oxide layer having a larger band gap than the parent phase is formed on the surface of the parent phase, the Seebeck coefficient S increases due to the filter effect.
Examples of such metal oxides include rare earth oxides, ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , ZnO, alkaline earth oxides, SiO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , There are NiO, MnO, WO 3 , SnO, CoO and the like. The oxide layer may be composed of any one of these metal oxides, or may be a mixture or a solid solution of two or more metal oxides.
Among these, the metal oxide is preferably one or more selected from Al 2 O 3 , alkaline earth oxide, rare earth oxide, ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , and ZnO. This is because these oxides are less reactive with the parent phase than other oxides. When the oxide layer reacts with the parent phase, a defect level may be generated at the interface to change the carrier concentration of the parent phase, or the insulating properties of the oxide layer may be reduced, and the filter effect may not be obtained.

[1.2.2. 厚さ]
一般に、母相の周囲に形成される酸化物層が薄くなるほど、フィルター効果やフォノンの散乱効果が増大する。しかしながら、酸化物層が薄くなりすぎると、母相の周囲を均一に被覆するのが困難となる。また、低エネルギーのキャリアが酸化物層を素通りし、ゼーベック係数の増大効果が得られない。従って、酸化物層の厚さは、1nm以上が好ましい。酸化物層の厚さは、さらに好ましくは、5nm以上である。
一方、酸化物層の厚さが厚くなりすぎると、母相間の電気抵抗が大きくなり、かえって熱電特性が低下する。従って、酸化物層の厚さは、500nm以下が好ましい。酸化物層の厚さは、さらに好ましくは、100nm以下である。
[1.2.2. thickness]
In general, the thinner the oxide layer formed around the matrix, the greater the filter effect and phonon scattering effect. However, if the oxide layer becomes too thin, it becomes difficult to uniformly coat the periphery of the matrix. Further, low energy carriers pass through the oxide layer, and the effect of increasing the Seebeck coefficient cannot be obtained. Therefore, the thickness of the oxide layer is preferably 1 nm or more. The thickness of the oxide layer is more preferably 5 nm or more.
On the other hand, if the thickness of the oxide layer becomes too thick, the electrical resistance between the parent phases increases, and the thermoelectric characteristics deteriorate. Therefore, the thickness of the oxide layer is preferably 500 nm or less. The thickness of the oxide layer is more preferably 100 nm or less.

ここで、「酸化物層の厚さ」とは、以下の手順により求められる値をいう。
(1)母相の断面を顕微鏡により撮影し、断面写真上において母相の表面又は母相間の界面を滑らかな曲線で結ぶ。
(2)曲線上の1点(接点)を通る接線に対して垂直であり、かつ、接点を通るように垂線を引く。
(3)酸化物層を横切る垂線の長さ(=酸化物層の厚さ)を測定する。
Here, “the thickness of the oxide layer” refers to a value obtained by the following procedure.
(1) Photograph the cross section of the parent phase with a microscope, and connect the surface of the parent phase or the interface between the mother phases with a smooth curve on the cross-sectional photograph.
(2) A perpendicular line is drawn so as to be perpendicular to the tangent line passing through one point (contact point) on the curve and to pass through the contact point.
(3) Measure the length of the perpendicular across the oxide layer (= thickness of the oxide layer).

[1.2.3. アスペクト比]
酸化物層は、母相の周囲を連続的かつ層状に被覆している必要がある。「連続的かつ層状に被覆する」とは、母相の表面又は母相の界面が一定以上の面積を有する薄い酸化物層によって2次元的に覆われていることをいう。
従って、
(1)母相の周囲に沿って不連続に点在している粒状の金属酸化物、及び、
(2)酸化物層の内、厚さが500nmを超える領域、
は、いずれも、「母相の周囲を連続的かつ層状に被覆する酸化物層」には含まれない。
「連続的かつ層状」の程度は、母相の断面を観察した場合において、母相の表面を覆う酸化物層のアスペクト比で表すことができる。高い熱電特性を得るためには、酸化物層のアスペクト比は、5以上が好ましい。アスペクト比は、さらに好ましくは、10以上である。
[1.2.3. aspect ratio]
The oxide layer must be continuously and layered around the matrix. “Coating continuously and in layers” means that the surface of the parent phase or the interface of the parent phase is two-dimensionally covered with a thin oxide layer having a certain area or more.
Therefore,
(1) granular metal oxides scattered discontinuously along the periphery of the matrix, and
(2) Of the oxide layer, a region having a thickness exceeding 500 nm,
Are not included in the “oxide layer covering the periphery of the matrix phase continuously and in layers”.
The degree of “continuous and layered” can be represented by the aspect ratio of the oxide layer covering the surface of the parent phase when the cross section of the parent phase is observed. In order to obtain high thermoelectric characteristics, the aspect ratio of the oxide layer is preferably 5 or more. The aspect ratio is more preferably 10 or more.

ここで、「酸化物層のアスペクト比」とは、以下の手順により求められる値をいう。
(1)母相の断面を顕微鏡により撮影し、断面写真上において母相の表面又は母相の界面を滑らかな曲線で結ぶ。
(2)連続している酸化物層に対してほぼ平行に沿っている曲線の長さ(=酸化物層の長さL)を画像解析装置等を用いて測定する。「連続している酸化物層」とは、金属酸化物が連続して存在する領域であって、1つの不連続点(始点)から次の不連続点(終点)までの領域をいう。「不連続点」とは、金属酸化物が途切れている箇所、又は、厚さが500nmを超えている箇所をいう。
(3)連続している酸化物層の中から無作為に選んだ複数箇所(好ましくは、5箇所以上)において、酸化物層の厚さdを計測し、その平均値dmを算出する。
(4)L/dm(=アスペクト比)を算出する。
Here, the “aspect ratio of the oxide layer” refers to a value obtained by the following procedure.
(1) Photograph the cross section of the parent phase with a microscope, and connect the surface of the parent phase or the interface of the mother phase with a smooth curve on the cross-sectional photograph.
(2) The length of a curve (= the length L of the oxide layer) that is substantially parallel to the continuous oxide layer is measured using an image analyzer or the like. The “continuous oxide layer” is a region where metal oxides are continuously present and refers to a region from one discontinuous point (start point) to the next discontinuous point (end point). “Discontinuous point” refers to a point where the metal oxide is interrupted or a point where the thickness exceeds 500 nm.
(3) The thickness d of the oxide layer is measured at a plurality of locations (preferably 5 or more) selected at random from the continuous oxide layer, and the average value dm is calculated.
(4) L / dm (= aspect ratio) is calculated.

[1.2.3. 界面被覆率]
一般に、母相の周囲が連続的かつ層状の酸化物層で被覆されている割合が大きくなるほど、フィルター効果やフォノンの散乱効果が増大する。この割合は、次の(2)式で表される界面被覆率で表すことができる。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
[1.2.3. Interface coverage]
In general, the greater the ratio of the matrix phase covered with a continuous and layered oxide layer, the greater the filter effect and phonon scattering effect. This ratio can be expressed by the interface coverage expressed by the following equation (2).
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).

ここで、「母相の断面の界面長さ」とは、母相の断面を観察した場合において、母相の表面又は母相の界面を滑らかに結んだ曲線の全長をいう。界面長さは、画像解析装置等を用いて測定することができる。
高い熱電特性を得るためには、界面被覆率は50%以上である必要がある。界面被覆率は、さらに好ましくは70%以上である。
Here, the "field surface length of the cross section of the parent phase", in the case of observing the cross-section of the matrix phase refers to the entire length of the smooth curve connecting the interface surface or matrix of the matrix phase. The interface length can be measured using an image analyzer or the like.
In order to obtain high thermoelectric properties, the interface coverage needs to be 50% or more. The interface coverage is more preferably 70% or more.

[1.2.4. 金属酸化物の含有量]
複合熱電材料全体に含まれる金属酸化物の含有量及びその最適値は、酸化物層の厚さ、アスペクト比、及び、界面被覆率に応じて異なる。
一般に、酸化物層が薄くかつ均一であるほど、少量の金属酸化物で、高いフィルター効果及び/又は高いフォノンの散乱効果が得られる。しかしながら、金属酸化物が少なくなりすぎると、十分な効果が得られない。
一方、金属酸化物の含有量が過剰になると、複合熱電材料の電気比抵抗が増大し、かえって熱電特性が低下する。
最適な金属酸化物の含有量は、酸化物層の組成、形状等により異なるが、通常は、0.1〜5vol%程度である。
[1.2.4. Metal oxide content]
The content of metal oxide contained in the entire composite thermoelectric material and the optimum value thereof vary depending on the thickness of the oxide layer, the aspect ratio, and the interface coverage.
In general, the thinner and more uniform the oxide layer, the higher the filter effect and / or the higher phonon scattering effect with a small amount of metal oxide. However, if the metal oxide is too small, a sufficient effect cannot be obtained.
On the other hand, when the content of the metal oxide becomes excessive, the electrical specific resistance of the composite thermoelectric material increases, and on the contrary, the thermoelectric characteristics deteriorate.
The optimum metal oxide content varies depending on the composition and shape of the oxide layer, but is usually about 0.1 to 5 vol%.

[1.3. 複合熱電材料の形状]
本発明に係る複合熱電材料は、粉末又は焼結体のいずれであっても良い。粉末状の複合熱電材料は、例えば、他の材料(樹脂、ゴムなど)と複合化した状態で使用することができる。
[1.3. Shape of composite thermoelectric material]
The composite thermoelectric material according to the present invention may be either a powder or a sintered body. The powdery composite thermoelectric material can be used in a state where it is combined with other materials (resin, rubber, etc.), for example.

[2. PLD装置]
[2.1. 構成]
図2に、本発明に係る複合熱電材料の製造に用いられるパルスレーザーデポジション(PLD)装置の概略構成図を示す。
図2において、PLD装置10は、レーザー装置12と、反射鏡14と、集光レンズ16と、回転式容器18と、転動用モーター20とを備えている。
[2. PLD device]
[2.1. Constitution]
In FIG. 2, the schematic block diagram of the pulse laser deposition (PLD) apparatus used for manufacture of the composite thermoelectric material which concerns on this invention is shown.
In FIG. 2, the PLD device 10 includes a laser device 12, a reflecting mirror 14, a condenser lens 16, a rotary container 18, and a rolling motor 20.

レーザー装置12は、回転式容器18の内部に固定されたターゲット22にレーザー光を照射するためのレーザー光源である。レーザー装置12は、ターゲット22から飛散粒子を発生させることが可能なものであれば良い。レーザー装置12は、具体的には、波長:150nm〜11μm、パルス幅:50fs〜1μs、1パルス当たりのエネルギー:0.01J〜100Jであるパルスレーザー光を照射することが可能なものが好ましい。このようなレーザー装置12としては、例えば、フェムト秒レーザー装置、エキシマレーザー装置、YAGレーザー装置などがある。   The laser device 12 is a laser light source for irradiating a target 22 fixed inside the rotary container 18 with laser light. The laser device 12 may be any device that can generate scattered particles from the target 22. Specifically, the laser device 12 is preferably capable of irradiating pulsed laser light having a wavelength of 150 nm to 11 μm, a pulse width of 50 fs to 1 μs, and energy per pulse: 0.01 J to 100 J. Examples of such a laser device 12 include a femtosecond laser device, an excimer laser device, and a YAG laser device.

反射鏡14は、レーザー装置12から照射されるレーザー光を反射させ、ターゲット22に導くためのものである。反射鏡14は、必ずしも必要ではないが、反射鏡14を用いると、レーザー装置12と回転式容器18の配置を自由に選択することができる。
集光レンズ16は、レーザー装置12から照射されるレーザー光を集光するためのものである。集光レンズ16は、レーザー光の光路の途中に配置される。集光レンズ16は、レーザー光の照射強度を109W/cm2以上にすることが可能なものが好ましい。
The reflecting mirror 14 reflects the laser light emitted from the laser device 12 and guides it to the target 22. Although the reflecting mirror 14 is not necessarily required, when the reflecting mirror 14 is used, the arrangement of the laser device 12 and the rotary container 18 can be freely selected.
The condensing lens 16 is for condensing the laser light emitted from the laser device 12. The condenser lens 16 is disposed in the middle of the optical path of the laser light. The condensing lens 16 is preferably one that can make the irradiation intensity of the laser light 10 9 W / cm 2 or more.

回転式容器18は、その内部に被処理物(母相粉末)24を収容するためのものである。回転式容器18は、回転可能であり、かつ、回転軸方向にレーザー光を導入するための入射窓26が設けられている。入射窓26には、レーザー光を透過可能な材料(例えば、石英)が用いられる。回転式容器18の底面には、ターゲット22が固定される。
転動用モーター20は、回転式容器18を回転させ、回転式容器18内に挿入された母相粉末24を転動させるためのものである。転動用モーター20は、1分間に回転式容器18を0.1〜10回転させることが可能なものが好ましい。転動用モーター20としては、例えば、ステッピングモーターなどがある。
The rotary container 18 is for accommodating an object to be processed (matrix phase powder) 24 therein. The rotary container 18 is rotatable and is provided with an incident window 26 for introducing laser light in the direction of the rotation axis. The entrance window 26 is made of a material that can transmit laser light (for example, quartz). A target 22 is fixed to the bottom surface of the rotary container 18.
The rolling motor 20 is for rotating the rotary container 18 and rolling the parent phase powder 24 inserted into the rotary container 18. The rolling motor 20 is preferably capable of rotating the rotary container 18 0.1 to 10 times per minute. Examples of the rolling motor 20 include a stepping motor.

図3に、回転式容器の一例(部分断面図)を示す。図3に示す例おいて、回転式容器18aは、下蓋32と、上蓋34と、外容器36と、内容器38とを備えている。
下蓋32及び上蓋34は、外容器36の両端に密着させ、外容器36内を密閉するためのものである。下蓋32及び上蓋34と外容器36との間には、ゴムパッキン40、40が挿入されている。
下蓋32の内面には、ターゲット22aが固定されている。
上蓋34のほぼ中央には、レーザー光をターゲット22aに導くための入射窓26aが設けられている。さらに、上蓋34には、外容器36内の雰囲気を制御するためのバルブ42が設けられている。バルブ42の先端には、外容器36内を真空排気するための真空ポンプ(図示せず)、及び外容器36内を不活性ガス雰囲気にするための不活性ガス供給源(図示せず)が接続されている。
FIG. 3 shows an example (partial sectional view) of the rotary container. In the example shown in FIG. 3, the rotary container 18 a includes a lower lid 32, an upper lid 34, an outer container 36, and an inner container 38.
The lower lid 32 and the upper lid 34 are for closely contacting the both ends of the outer container 36 to seal the inside of the outer container 36. Rubber packings 40 and 40 are inserted between the lower lid 32 and the upper lid 34 and the outer container 36.
A target 22 a is fixed to the inner surface of the lower lid 32.
An entrance window 26a for guiding the laser beam to the target 22a is provided in the approximate center of the upper lid 34. Further, the upper lid 34 is provided with a valve 42 for controlling the atmosphere in the outer container 36. At the tip of the valve 42, there is a vacuum pump (not shown) for evacuating the inside of the outer container 36, and an inert gas supply source (not shown) for making the inside of the outer container 36 an inert gas atmosphere. It is connected.

外容器36は、両端が開放しており、入射窓26aから入射されるレーザー光をターゲット22aに照射し、かつ、ターゲット22aから飛散した飛散粒子を外容器36の内部に導入できるようになっている。
外容器36の内部には、被処理物(母相粉末)24を保持するための内容器38が固定されている。内容器38は、両端が開放しており、入射窓26aから入射されるレーザー光をターゲット22aに照射し、かつ、ターゲット22aから飛散した飛散粒子を内容器38の内部に導入できるようになっている。
Both ends of the outer container 36 are open, and the target 22a can be irradiated with laser light incident from the incident window 26a, and scattered particles scattered from the target 22a can be introduced into the outer container 36. Yes.
An inner container 38 for holding an object to be processed (matrix phase powder) 24 is fixed inside the outer container 36. Both ends of the inner container 38 are open, so that the target 22a can be irradiated with laser light incident from the incident window 26a, and scattered particles scattered from the target 22a can be introduced into the inner container 38. Yes.

内容器38の両端には、ストッパー38a、38bが設けられている。ストッパー38a、38bは、内容器38の両端を中央部に比べて高くする(又は、内容器38の内径よりも小さい内径を有する穴を内容器38の両端に形成する)ためのものである。内容器38の両端にストッパー38a、38bを設けることにより、レーザー光の照射を妨げることなく、被処理物24の下蓋32側及び上蓋34側への移動を防ぐことができる。
なお、内容器38及びストッパー38a、38bは、必ずしも必要ではないが、容器を二重構造にしたり、あるいはストッパー38a、38bを設けると、容器内への被処理物24の挿入、及び、容器内部の清掃を容易化することができる。
At both ends of the inner container 38, stoppers 38a and 38b are provided. The stoppers 38a and 38b are for making both ends of the inner container 38 higher than the center part (or forming holes having an inner diameter smaller than the inner diameter of the inner container 38 at both ends of the inner container 38). By providing the stoppers 38 a and 38 b at both ends of the inner container 38, the movement of the workpiece 24 toward the lower lid 32 and the upper lid 34 can be prevented without hindering the laser light irradiation.
The inner container 38 and the stoppers 38a and 38b are not necessarily required. However, if the container has a double structure, or if the stoppers 38a and 38b are provided, the insertion of the workpiece 24 into the container and the inside of the container Cleaning can be facilitated.

回転式容器18aの内部に被処理物24を挿入し、回転式容器18aを回転させながら、レーザー光をターゲット22aに照射すると、被処理物24の周囲に飛散粒子を均一に付着させることができる。
また、回転式容器18aに、被処理物24の転動を促進させるための構造(転動促進手段)が設けられていると、短時間で被処理物24の周囲に飛散粒子を均一に付着させることができる。この場合、転動促進手段は、被処理物24を容器内において飛散させにくいものが好ましい。被処理物24が容器内で飛散すると、レーザー光が浮遊している被処理物24で遮られ、ターゲット22aにレーザー光を照射するのが困難となる。
When the object to be processed 24 is inserted into the rotary container 18a and the target 22a is irradiated while rotating the rotary container 18a, scattered particles can be uniformly attached around the object 24 to be processed. .
Further, when the rotary container 18a is provided with a structure (rolling promotion means) for promoting the rolling of the workpiece 24, the scattered particles are uniformly attached around the workpiece 24 in a short time. Can be made. In this case, it is preferable that the rolling promotion means is less likely to cause the workpiece 24 to scatter in the container. When the object to be processed 24 is scattered in the container, the laser light is blocked by the object to be processed 24 that is floating, and it becomes difficult to irradiate the target 22a with the laser light.

このような被処理物24の転動を促進させる方法としては、
(1)容器(内容器38)の内面に、突起を設ける方法、
(2)容器(内容器38)の内面構造を角柱状とする方法、
(3)容器(内容器38)の内壁を荒くして、摩擦係数を大きくする方法、
(4)容器(内容器38)回転時に容器に衝撃を与える方法、
などがある。
これらの中でも、容器の内面に突起を設ける方法は、容器内部で被処理物24を飛散させることなく、被処理物24を効率よく転動させることができるので、転動促進手段として特に好適である。
As a method for promoting such rolling of the workpiece 24,
(1) A method of providing protrusions on the inner surface of the container (inner container 38),
(2) A method of making the inner surface structure of the container (inner container 38) into a prismatic shape,
(3) A method of increasing the friction coefficient by roughening the inner wall of the container (inner container 38),
(4) A method of giving an impact to the container when the container (inner container 38) rotates,
and so on.
Among these, the method of providing protrusions on the inner surface of the container is particularly suitable as a rolling acceleration means because the object to be processed 24 can be efficiently rolled without scattering the object to be processed 24 inside the container. is there.

突起の形状、個数、配置等は、特に限定されるものではなく、被処理物24を効率よく転動させることができるものであればよい。
突起としては、例えば、
(1)回転式容器18aの内面に規則的又は不規則に設けられた柱状、半球状、錐状又は錐台状の突起、
(2)回転式容器18aの回転軸に沿ってほぼ平行に設けられた細長い突起、
(3)回転式容器18aの回転軸に対して螺旋状に設けられた細長い突起、
などがある。
また、突起に代えて、回転式容器18aの内面に、回転式の羽根を付けても良い。
なお、本発明において「突起」というときは、特にことわらない限り、凸形状の突起(正の突起)と凹形状の窪み(負の突起、例えば、円柱状あるいはスパイク状の窪み)の双方を意味する。
The shape, number, arrangement, and the like of the protrusions are not particularly limited as long as the object to be processed 24 can be efficiently rolled.
As a protrusion, for example,
(1) Columnar, hemispherical, conical or frustum-shaped protrusions provided regularly or irregularly on the inner surface of the rotary container 18a,
(2) an elongated protrusion provided substantially parallel to the rotation axis of the rotary container 18a;
(3) an elongated protrusion provided spirally with respect to the rotation axis of the rotary container 18a,
and so on.
Further, instead of the protrusion, a rotary blade may be attached to the inner surface of the rotary container 18a.
In the present invention, the term “projection” refers to both a convex-shaped projection (positive projection) and a concave-shaped depression (negative projection, for example, a cylindrical or spike-shaped depression) unless otherwise specified. means.

突起の断面形状は、被処理物24の転動効率に影響を与える。被処理物24を飛散させることなく、被処理物を効率よく転動させるためには、回転軸に対して平行な方向から見たときの突起(正の突起)の断面(回転軸に対して垂直な断面)の形状は、立ち上がり角が60°以下である形状が好ましい。
一方、立ち上がり角度が小さくなりすぎると、十分な転動効果が得られない。従って、正の突起の立ち上がり角は、20°以上が好ましい。
負の突起の場合も同様の理由から、立ち上がり角は、−60°〜−20°が好ましい。すなわち、立ち上がり角の絶対値は、20〜60°が好ましい。
「立ち上がり角」とは、容器の回転軸方向から見て、容器内壁面と突起の側面との接点を通る容器内壁面の接線と、前記接点を通る突起の側面の接線とのなす角(例えば、突起の断面形状が台形であるときは、底角)をいう。また、容器内壁面の接線から容器の中心に向かって測定する立ち上がり角を「+」と定義する。
The cross-sectional shape of the protrusion affects the rolling efficiency of the workpiece 24. In order to efficiently roll the object to be processed without scattering the object to be processed 24, a cross section of the protrusion (positive protrusion) when viewed from a direction parallel to the rotation axis (with respect to the rotation axis). The shape of the vertical cross section) is preferably a shape having a rising angle of 60 ° or less.
On the other hand, if the rising angle is too small, a sufficient rolling effect cannot be obtained. Accordingly, the rising angle of the positive protrusion is preferably 20 ° or more.
In the case of a negative projection, for the same reason, the rising angle is preferably −60 ° to −20 °. That is, the absolute value of the rising angle is preferably 20 to 60 °.
The “rising angle” is an angle formed by a tangent line of the inner wall surface of the container passing through the contact point between the inner wall surface of the container and the side surface of the protrusion, and a tangent line of the side surface of the protrusion passing through the contact point, for example When the cross-sectional shape of the protrusion is trapezoidal, it means the base angle). Further, the rising angle measured from the tangent to the inner wall surface of the container toward the center of the container is defined as “+”.

[2.2. PLD装置の使用方法]
まず、図2に示すPLD装置10の回転式容器18に被処理物24を入れる。次いで、必要に応じて回転式容器18の内部の真空排気及び不活性ガスの導入を行う。MNiSn系ハーフホイスラー化合物は、酸化しやすいので、レーザーアブレーションは、不活性ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
次に、転動用モーター20を用いて回転式容器18を回転させながら、レーザー装置12を用いてレーザー光を放出させ、レーザー光を回転式容器18の底面に固定されたターゲット22に照射する。
レーザー光がターゲット22に照射されると、ターゲット22を構成する物質が飛散し、飛散粒子が被処理物24の表面に均一に付着する。
[2.2. How to use PLD device]
First, the workpiece 24 is placed in the rotary container 18 of the PLD apparatus 10 shown in FIG. Next, the inside of the rotary container 18 is evacuated and an inert gas is introduced as necessary. Since the MNiSn half-Heusler compound is easily oxidized, laser ablation is preferably performed in an inert gas atmosphere.
Next, while rotating the rotary container 18 using the rolling motor 20, laser light is emitted using the laser device 12 and the target 22 fixed to the bottom surface of the rotary container 18 is irradiated with the laser light.
When the target 22 is irradiated with the laser light, the material constituting the target 22 is scattered and the scattered particles are uniformly attached to the surface of the workpiece 24.

図4に、回転軸方向から見た回転式容器18の断面図を示す。図4(a)に示すように、回転式容器18の内面が円筒状であり、かつ、内面に突起が無い場合において、回転速度が遅いときには、被処理物24は、回転式容器18の下部において左右に揺れるだけで、転動しにくい。そのため、この状態でレーザーアブレーションを行うと、被処理物24の表層部分にのみ飛散粒子が付着し、被処理物24の周囲に均一に飛散粒子を付着させることができない。
一方、回転式容器18の回転速度を上げると、被処理物24の転動を促進することができる。しかしながら、回転速度を上げすぎると、被処理物24が飛散し、回転式容器18の内部で浮遊する。そのため、レーザー光が遮られ、ターゲットのレーザーアブレーションを十分に行うことができない。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the rotary container 18 as viewed from the direction of the rotation axis. As shown in FIG. 4 (a), when the inner surface of the rotary container 18 is cylindrical and there are no protrusions on the inner surface, and the rotation speed is slow, the workpiece 24 is placed under the rotary container 18. It is difficult to roll just by shaking left and right. Therefore, if laser ablation is performed in this state, scattered particles adhere only to the surface layer portion of the object to be processed 24, and the scattered particles cannot be uniformly adhered around the object to be processed 24.
On the other hand, when the rotational speed of the rotary container 18 is increased, the rolling of the workpiece 24 can be promoted. However, if the rotational speed is increased too much, the object to be processed 24 scatters and floats inside the rotary container 18. For this reason, the laser beam is blocked and the laser ablation of the target cannot be performed sufficiently.

これに対し、図4(b)に示すように、回転式容器18の内面に突起44(正の突起)がある場合、回転に伴い、被処理物24は、突起44により所定の高さまで持ち上げられる。回転式容器18の回転角度がある一定の角度に達すると、被処理物24が突起44を乗り越え、下方に落下する。そのため、回転式容器18の内面形状が円筒状である場合、あるいは、回転式容器18の回転速度が遅い場合であっても、被処理物24を十分に転動させることができる。
また、突起44の断面形状(特に、立ち上がり角)、配置、個数等を最適化すると、被処理物24が必要以上に高く持ち上げられることがない。その結果、被処理物24を飛散させることなく、効率よく転動させることができる。また、これによって被処理物24の周囲に飛散粒子を均一に付着させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the protrusion 44 (positive protrusion) is provided on the inner surface of the rotary container 18, the workpiece 24 is lifted to a predetermined height by the protrusion 44 along with the rotation. It is done. When the rotation angle of the rotary container 18 reaches a certain angle, the workpiece 24 gets over the protrusion 44 and falls downward. Therefore, even when the inner surface shape of the rotary container 18 is cylindrical or when the rotational speed of the rotary container 18 is low, the workpiece 24 can be sufficiently rolled.
Further, if the cross-sectional shape (particularly the rising angle), the arrangement, the number, etc. of the protrusions 44 are optimized, the workpiece 24 will not be lifted higher than necessary. As a result, the workpiece 24 can be efficiently rolled without being scattered. In addition, scattered particles can be uniformly attached around the object to be processed 24.

[3. 複合熱電材料の製造方法]
本発明に係る複合熱電材料の製造方法は、粉末作製工程と、PLD工程と、焼結工程とを備えている。
[3. Manufacturing method of composite thermoelectric material]
The manufacturing method of the composite thermoelectric material which concerns on this invention is equipped with the powder preparation process, the PLD process, and the sintering process.

[3.1. 粉末作製工程]
粉末作製工程は、熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相粉末を作製する工程である。
[3.1. Powder production process]
The powder production step is a step of producing a parent phase powder made of a thermoelectric material and comprising one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains.

[3.1.1. 母相]
母相は、(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
なお、母相の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[3.1.1. Mother phase]
The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.
The details of the parent phase are as described above, and thus the description thereof is omitted.

[3.1.2. 母相粉末の作製方法]
母相粉末の作製方法は、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。母相粉末の作製方法としては、具体的には、
(1)溶解・鋳造法を用いて、所定の組成を有する母相合金からなるインゴットを作製し、インゴットをボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の手段を用いて物理的に粉砕する方法、
(2)所定の組成を有する母相合金となるように成分調整された溶湯を作製し、銅ロール法、アトマイズ法などを用いて溶湯を急冷凝固させる方法、
などがある。
これらの中でも、急冷凝固法は、組成の均一な母相粉末が得られるので、粉末作製方法として特に好適である。
粉砕や急冷凝固は、母相のサイズが20μm以下となるように行うのが好ましい。
[3.1.2. Preparation method of mother phase powder]
The method for producing the matrix phase powder is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, as a method for producing the mother phase powder,
(1) A method of producing an ingot made of a parent phase alloy having a predetermined composition using a melting / casting method, and physically pulverizing the ingot using means such as a ball mill, a bead mill, a jet mill,
(2) A method of preparing a molten metal whose components are adjusted so as to become a matrix alloy having a predetermined composition, and rapidly solidifying the molten metal using a copper roll method, an atomizing method,
and so on.
Among these, the rapid solidification method is particularly suitable as a powder preparation method because a matrix powder having a uniform composition can be obtained.
The pulverization and rapid solidification are preferably performed so that the size of the matrix phase is 20 μm or less.

[3.2. PLD工程]
PLD工程は、母相粉末を転動させながら、母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物を生成可能な物質からなるターゲットの表面にレーザー光を照射することにより、母相粉末の周囲を金属酸化物からなる酸化物層で連続的かつ層状に被覆する工程である。
[3.2. PLD process]
In the PLD process, a laser beam is irradiated on the surface of a target made of a material capable of forming a metal oxide having a band gap equal to or larger than that of the parent phase while rolling the parent phase powder. This is a step of continuously and layer-coating with an oxide layer made of an oxide.

[3.2.1. 酸化物層]
酸化物層の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[3.2.2. ターゲット]
ターゲットには、母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物を生成可能な物質を用いる。例えば、酸化物層が1種類の金属元素を含む金属酸化物である場合、目的とする金属酸化物からなるターゲットを用いればよい。また、酸化物層が2種以上の金属酸化物の混合物又は固溶体である場合、組成の異なる2種以上のターゲットを用いて、交互にレーザーアブレーションを行っても良い。
[3.2.1. Oxide layer]
Since the details of the oxide layer are as described above, description thereof is omitted.
[3.2.2. target]
As the target, a substance capable of generating a metal oxide having a band gap larger than that of the parent phase is used. For example, in the case where the oxide layer is a metal oxide containing one kind of metal element, a target made of a target metal oxide may be used. Further, when the oxide layer is a mixture or solid solution of two or more kinds of metal oxides, laser ablation may be alternately performed using two or more kinds of targets having different compositions.

[3.2.3. 界面被覆率]
PLD工程は、(2)式で表される界面被覆率が50%以上となるように、母相粉末の転動及びレーザー光の照射を行う。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
界面被覆率の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[3.2.3. Interfacial coverage]
In the PLD process, the matrix powder is rolled and irradiated with laser light so that the interface coverage represented by the formula (2) is 50% or more.
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).
Since the details of the interface coverage are as described above, the description is omitted.

[3.2.4. 被覆方法及び被覆条件]
酸化物層の被覆方法及び被覆条件は、特に限定されるものではなく、所定の界面被覆率が得られる方法及び条件であれば良い。
被覆方法は、上述したPLD装置を用いた方法が好ましい。特に、PLD工程は、内壁に突起が設けられ、回転可能であり、かつ、回転軸方向にレーザー光を導入するための入射窓が設けられた容器内に母相粉末を挿入し、容器の底面にターゲットを固定し、容器を回転させながら容器の回転軸方向にレーザー光を照射するものが好ましい。この場合、突起の立ち上がり角度の絶対値は、20°以上60°以下が好ましい。
PLD装置の詳細及びこれを用いた被覆方法の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
一般に、被覆処理を長時間行うほど、及び/又は、母相粉末の転動を十分に行うほど、母相の周囲を連続的かつ層状に被覆するのが容易化する。一方、必要以上に被覆処理を行うと、酸化物層の厚さが厚くなり、十分な効果が得られない。
[3.2.4. Coating method and coating conditions]
The coating method and coating conditions for the oxide layer are not particularly limited as long as they are methods and conditions that provide a predetermined interface coverage.
The coating method is preferably a method using the above-described PLD apparatus. In particular, in the PLD process, a mother phase powder is inserted into a container provided with protrusions on the inner wall, is rotatable, and is provided with an incident window for introducing laser light in the direction of the rotation axis. It is preferable to irradiate the laser beam in the direction of the rotation axis of the container while fixing the target to the container and rotating the container. In this case, the absolute value of the rising angle of the protrusion is preferably 20 ° or more and 60 ° or less.
The details of the PLD apparatus and the details of the coating method using the same are as described above, and thus the description thereof is omitted.
In general, the longer the coating process is performed and / or the more sufficient the rolling of the matrix powder is, the easier it is to coat the periphery of the matrix phase continuously and in layers. On the other hand, if the coating treatment is performed more than necessary, the thickness of the oxide layer increases, and a sufficient effect cannot be obtained.

[3.3. 焼結工程]
焼結工程は、PLD工程で得られた粉末を成形し、焼結させる工程である。PLD工程で得られた粉末は、必要に応じて適度に粉砕した後、そのまま各種の用途に用いることができる。従って、焼結工程は、必ずしも必要な工程ではないが、バルクの状態で使用するときには、通常、焼結を行う。
[3.3. Sintering process]
A sintering process is a process of shape | molding and sintering the powder obtained at the PLD process. The powder obtained in the PLD process can be used for various purposes as it is after being appropriately pulverized as necessary. Accordingly, the sintering process is not necessarily a necessary process, but when used in a bulk state, the sintering is usually performed.

粉末状の複合熱電材料を焼結させる場合、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(SPS)法などがある。これらの中でも、SPS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、母相の組成、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、SPS法を用いる場合、焼結温度は、MNiSn系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。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 sintering a powdery composite thermoelectric material, various methods can be used for the sintering method. Specific examples of the sintering method include a normal pressure sintering method, a hot press, a HIP, and a discharge plasma sintering (SPS) method. Among these, the SPS method is particularly suitable as a sintering method because a dense sintered body can be obtained in a short time.
Select the optimum sintering conditions (for example, sintering temperature, sintering time, applied pressure during sintering, sintering atmosphere, etc.) according to the composition of the parent phase, the sintering method used, etc. To do.
For example, when using the SPS method, the sintering temperature is preferably equal to or lower than the melting point of the MNiSn half-Heusler compound, and the applied pressure is preferably equal to or greater than 20 MPa. 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.

[3.4. その他の工程]
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。焼結体に対してアニール処理を施すと、成分元素の偏析、析出した異相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MNiSn系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。
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、短時間で偏析等を除去することができる。通常は、数時間〜数十時間である。
[3.4. Other processes]
After the powder is sintered, an annealing treatment for holding the sintered body at a predetermined temperature may be performed. By subjecting the sintered body to annealing treatment, segregation of component elements, precipitated foreign phases, and the like can be removed.
The annealing temperature is preferably 700 ° C. or higher and below the melting point of the MNiSn half-Heusler compound. If the annealing temperature is less than 700 ° C., sufficient effects cannot be obtained.
As the annealing time, an optimum time is selected according to the annealing temperature. In general, as the annealing temperature increases, segregation and the like can be removed in a shorter time. Usually, it is several hours to several tens of hours.

[4. 複合熱電材料及びその製造方法の作用]
MNiSn系ハーフホイスラー化合物からなる母相粉末を回転可能な容器に入れ、レーザーアブレーションにより母相粉末の表面を酸化物層で被覆する場合において、母相粉末の転動を十分に行うと、母相粉末の表面が薄くかつ均一な酸化物層で被覆された複合熱電材料からなる粉末が得られる。特に、内壁面に突起が設けられた容器を用いて母相粉末の転動を行うと、母相粉末を飛散させることなく、効率よく転動させることができる。
また、雰囲気制御された容器内で母相粉末の転動及びレーザーアブレーションを行うと、母相粉末を酸化させることなく、母相粉末の周囲をナノサイズの酸化物層で均一に被覆することができる。
さらに、このような粉末を成形・焼結すると、母相の周囲が薄くかつ均一な酸化物層で被覆された複合熱電材料からなる焼結体が得られる。
[4. Action of Composite Thermoelectric Material and Method for Producing the Same]
When the mother phase powder composed of the MNiSn-based half-Heusler compound is put in a rotatable container and the surface of the mother phase powder is coated with an oxide layer by laser ablation, the mother phase powder is sufficiently rolled. A powder composed of a composite thermoelectric material in which the surface of the powder is coated with a thin and uniform oxide layer is obtained. In particular, when the mother phase powder is rolled using a container having protrusions on the inner wall surface, the mother phase powder can be efficiently rolled without being scattered.
In addition, when rolling and laser ablation of the matrix powder in a container with controlled atmosphere, the matrix powder can be uniformly coated with a nano-sized oxide layer without oxidizing the matrix powder. it can.
Furthermore, when such a powder is molded and sintered, a sintered body made of a composite thermoelectric material in which the periphery of the matrix phase is coated with a thin and uniform oxide layer is obtained.

得られた複合熱電材料は、酸化物層のバンドギャップが母相より大きいため、両者の界面には、エネルギー障壁が生じる。この障壁は、低エネルギーキャリアや小数キャリアの伝導を阻害する(フィルター効果)。その結果、電気伝導度σを大きく低下させることなく、複合熱電材料のゼーベック係数Sが増大する。
また、母相と酸化物層との界面では、格子のミスマッチによりフォノン伝導が阻害される。その結果、複合熱電材料の熱伝導度κが減少する。
In the obtained composite thermoelectric material, the band gap of the oxide layer is larger than that of the parent phase, so that an energy barrier is generated at the interface between the two. This barrier hinders the conduction of low energy carriers and minority carriers (filter effect). As a result, the Seebeck coefficient S of the composite thermoelectric material increases without significantly reducing the electrical conductivity σ.
In addition, phonon conduction is hindered by lattice mismatch at the interface between the parent phase and the oxide layer. As a result, the thermal conductivity κ of the composite thermoelectric material is reduced.

(実施例1〜2、比較例1〜5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 母相粉末の作製]
全体の組成がZrNiSn(実施例1、比較例1〜4)、あるいは、(Zr0.990.01)Ni(Sn0.99Sb0.01)(実施例2、比較例5)となるように、Y、Ni、Sb、Zr、及びSnを秤量した。この原料を窒化ホウ素製るつぼに入れ、高周波溶解させ、インゴットを得た。
組成均一性向上のために、このインゴットを再溶解し、3000rpmで回転する銅ロール上に噴射し、溶湯を急冷凝固させた。急冷凝固物を乳鉢又はボールミルで粉砕し、20μmメッシュのふるいを通して母相粉末を得た。
(Examples 1-2, Comparative Examples 1-5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of matrix phase powder]
Y, Ni, so that the total composition is ZrNiSn (Example 1, Comparative Examples 1 to 4), or (Zr 0.99 Y 0.01 ) Ni (Sn 0.99 Sb 0.01 ) (Example 2, Comparative Example 5). Sb, Zr, and Sn were weighed. This raw material was put into a boron nitride crucible and melted at high frequency to obtain an ingot.
In order to improve the composition uniformity, this ingot was redissolved and sprayed onto a copper roll rotating at 3000 rpm to rapidly cool and solidify the molten metal. The rapidly solidified product was pulverized with a mortar or a ball mill, and a matrix powder was obtained through a 20 μm mesh sieve.

[1.2. PLD法による複合粉末の作製(実施例1〜2、比較例4)]
図2に示すPLD装置10を用いて、複合熱電材料からなる粉末を作製した。回転式容器18には、図3に示す二重構造の回転式容器18aを用いた。また、内容器38は、内面に突起44を設けたもの(実施例1〜2)と、突起44を設けないもの(比較例4)の2種類を用意した。
内容器38に母相粉末を入れた後、下蓋32と上蓋34により外容器36の両端を密封した。下蓋32のほぼ中央には、酸化物層を構成する酸化物からなるターゲット22aを固定した。ターゲット22aには、ZrO2(実施例1、比較例4)又はY23(実施例2))を用いた。
母相粉末の酸化防止のため、ポンプ装置をバルブ42に取り付け、10-3Paまで減圧した。その後、回転式容器18a内にArガスを導入した。
[1.2. Preparation of composite powder by PLD method (Examples 1-2, Comparative Example 4)]
A powder made of a composite thermoelectric material was produced using the PLD apparatus 10 shown in FIG. As the rotary container 18, a double-structure rotary container 18a shown in FIG. 3 was used. In addition, two types of inner containers 38 were prepared, one having an inner surface provided with a protrusion 44 (Examples 1 and 2) and one without a protrusion 44 (Comparative Example 4).
After the mother phase powder was put into the inner container 38, both ends of the outer container 36 were sealed with the lower lid 32 and the upper lid 34. A target 22a made of an oxide that constitutes an oxide layer was fixed almost at the center of the lower lid 32. ZrO 2 (Example 1, Comparative Example 4) or Y 2 O 3 (Example 2)) was used as the target 22a.
In order to prevent oxidation of the mother phase powder, a pump device was attached to the valve 42 and the pressure was reduced to 10 −3 Pa. Thereafter, Ar gas was introduced into the rotary container 18a.

回転式容器18aを10〜50rpmで回転させながら、入射窓26aからターゲット22aに向けてレーザー光を照射し、ターゲット物質のアブレートを行った。レーザー光には、3倍高調波のNd:YAGレーザー(波長355nm、400mJ)を用いた。処理時間は、1〜3時間とした。   While rotating the rotary container 18a at 10 to 50 rpm, laser light was irradiated from the incident window 26a toward the target 22a to ablate the target material. As the laser light, a triple harmonic Nd: YAG laser (wavelength 355 nm, 400 mJ) was used. The treatment time was 1 to 3 hours.

[1.3. 溶液法による複合粉末の作製(比較例2〜3)]
急冷凝固及び粉砕後の粉末に対して、ZrO2のナノ粒子(10〜100nm)を1〜10vol%加え、エタノールを溶媒としてこれらを湿式混合した。混合後、減圧条件下で試料を室温から400℃の温度で保持することによって溶媒を除去し、ナノ粒子が被覆されたハーフホイスラー粉末を得た(比較例2〜3)。
[1.3. Preparation of composite powder by solution method (Comparative Examples 2-3)]
1-10 vol% of ZrO 2 nanoparticles (10-100 nm) were added to the powder after rapid solidification and pulverization, and these were wet mixed using ethanol as a solvent. After mixing, the solvent was removed by holding the sample at room temperature to 400 ° C. under reduced pressure to obtain half-Heusler powder coated with nanoparticles (Comparative Examples 2-3).

[1.4. 焼結体の作製]
高周波溶解及び急冷凝固後の粉末(高周波溶解法:比較例1、5)、PLD法による複合粉末(実施例1〜2、比較例4)、並びに、溶液法による複合粉末(比較例2〜3)を用いて焼結体を作製した。焼結には、放電プラズマ装置を用いた。焼結条件は、1100℃、50MPaとした。
[1.4. Preparation of sintered body]
Powder after high-frequency dissolution and rapid solidification (high-frequency dissolution method: Comparative Examples 1 and 5), composite powder by PLD method (Examples 1-2 and Comparative Example 4), and composite powder by solution method (Comparative Examples 2-3) ) To prepare a sintered body. A discharge plasma apparatus was used for sintering. The sintering conditions were 1100 ° C. and 50 MPa.

[2. 試験方法]
[2.1. 組織観察]
電子顕微鏡を用いて、組織観察及びEDXによる組成分析を行った。
[2.2. 熱電特性]
焼結体から試料を切り出し、ゼーベック係数S、電気伝導度σ及び熱伝導度κを測定した。また、測定されたゼーベック係数S、電気伝導度σ及び熱伝導度κを用いて、無次元性能指数ZTを算出した。
[2. Test method]
[2.1. Tissue observation]
Using an electron microscope, structure observation and composition analysis by EDX were performed.
[2.2. Thermoelectric characteristics]
A sample was cut out from the sintered body, and the Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ were measured. In addition, the dimensionless figure of merit ZT was calculated using the measured Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, and thermal conductivity κ.

[3. 結果]
[3.1. 組織]
図5(a)に、実施例1(PLD法、突起有り)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真を示す。図5(b)に、比較例4(PLD法、突起無し)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真を示す。
EDXによる組成分析の結果、図中の黒い部分が酸化物であることを確認した。また、実施例1で得られた焼結体には、母相の粒界部分が酸化物層で被覆された構造が確認された。実施例1の場合、界面被覆率は、56%であった。また、図示はしないが、実施例2の界面被覆率は、52%であった。
一方、突起無しの容器を用いてPLDを行った比較例4の場合、母相の周囲を酸化物層が被覆している構造は観察されず、酸化物は、数μmの粗大凝集体として存在していた。比較例4の場合、界面被覆率は、0%であった。
[3. result]
[3.1. Organization]
FIG. 5A shows an SEM photograph of the ZrNiSn / 1 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Example 1 (PLD method, with protrusions). Figure 5 (b), Comparative Example 4 (PLD method, without protrusions) shows a SEM photograph of ZrNiSn / 1vol% ZrO 2 sintered body obtained in the.
As a result of composition analysis by EDX, it was confirmed that the black portion in the figure was an oxide. In addition, the sintered body obtained in Example 1 was confirmed to have a structure in which the grain boundary portion of the parent phase was covered with an oxide layer. In the case of Example 1, the interface coverage was 56%. Although not shown, the interface coverage of Example 2 was 52%.
On the other hand, in the case of Comparative Example 4 in which PLD was performed using a container having no protrusion, the structure in which the oxide layer was coated around the matrix phase was not observed, and the oxide was present as a coarse aggregate of several μm. Was. In the case of Comparative Example 4, the interface coverage was 0%.

突起無しの容器では、容器が回転するときに粉末が滑りやすい。そのため、条件が適切でない場合には、アブレーション粒子にさらされる粉末の面が変わりにくくなり、特定の面にターゲット物質が厚く堆積しやすいためと考えられる。
一方、突起を備えた容器では、回転により粉末が突起を乗り越えるときに、被覆されていない新たな面がアブレーション粒子の方に露出しやすい。そのため、より均一なコーティングが可能であったと考えられる。
In a container without protrusions, the powder tends to slip when the container rotates. Therefore, when the conditions are not appropriate, the surface of the powder exposed to the ablation particles is unlikely to change, and the target material is likely to be thickly deposited on a specific surface.
On the other hand, in a container having protrusions, when the powder moves over the protrusions by rotation, a new uncoated surface is likely to be exposed to the ablation particles. Therefore, it is considered that a more uniform coating was possible.

図6(a)に、比較例2(溶液法)で得られたZrNiSn/1vol%ZrO2焼結体のSEM写真を示す。図6(b)に、比較例3(溶液法)で得られたZrNiSn/5vol%ZrO2焼結体のSEM写真を示す。
溶液法で作製した比較例2の場合、粒界部分に酸化物が偏析した構造が確認できる。しかしながら、酸化物は粒子として付着しており、連続的な薄膜状ではなかった。比較例2の場合、界面被覆率は0%であった。
酸化物量を5vol%に増やした比較例3の場合も同様であり、ナノ粒子が凝集した状態で粒界に偏析しており、均一な酸化物膜は得られなかった。比較例3の場合、界面被覆率は0%であった。
FIG. 6A shows an SEM photograph of the ZrNiSn / 1 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Comparative Example 2 (solution method). FIG. 6B shows an SEM photograph of the ZrNiSn / 5 vol% ZrO 2 sintered body obtained in Comparative Example 3 (solution method).
In the case of the comparative example 2 produced by the solution method, the structure which the oxide segregated to the grain boundary part can be confirmed. However, the oxide adhered as particles and was not a continuous thin film. In the case of Comparative Example 2, the interface coverage was 0%.
The same applies to Comparative Example 3 in which the amount of oxide was increased to 5 vol%, and the nanoparticles were segregated at the grain boundaries in an aggregated state, and a uniform oxide film could not be obtained. In the case of Comparative Example 3, the interface coverage was 0%.

[3.2. 熱電特性]
図7に、実施例1〜2、比較例1、2、5で得られた焼結体のゼーベック係数Sを示す。また、表2に、各試料の熱伝導度κ及び無次元性能指数ZTを示す。
熱伝導度κは、複合化に伴って低下する傾向が見られた(比較例1→実施例1、比較例1→比較例2、比較例5→実施例2)。
[3.2. Thermoelectric characteristics]
In FIG. 7, Seebeck coefficient S of the sintered compact obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1, 2, and 5 is shown. Table 2 shows the thermal conductivity κ and dimensionless figure of merit ZT of each sample.
The thermal conductivity κ tended to decrease with compositing (Comparative Example 1 → Example 1, Comparative Example 1 → Comparative Example 2, Comparative Example 5 → Example 2).

しかしながら、ゼーベック係数Sは、作製法による違いが生じた。その結果、同じ組成でも無次元性能指数に変化が生じた。
まず、複合化していない比較例1と比べて、溶液法で複合化した比較例2は、酸化物と母相合金との反応によりゼーベック係数Sが大きく低下した。
一方、PLD法で複合化した実施例1でもゼーベック係数Sの低下が見られたが、比較例2と比べると低下率は抑制されていた。さらに、母相合金組成が(Zr0.990.01)Ni(Sn0.99Sb0.01)の場合、PLD法で複合化した実施例2は、複合化していない比較例5に比べてゼーベック係数Sは低下しなかった。
However, the Seebeck coefficient S differs depending on the manufacturing method. As a result, the dimensionless figure of merit changed even with the same composition.
First, compared to Comparative Example 1 that was not composited, Comparative Example 2 that was composited by the solution method had a significant decrease in the Seebeck coefficient S due to the reaction between the oxide and the parent phase alloy.
On the other hand, the decrease in Seebeck coefficient S was also observed in Example 1 combined with the PLD method, but the decrease rate was suppressed as compared with Comparative Example 2. Furthermore, when the parent phase alloy composition is (Zr 0.99 Y 0.01 ) Ni (Sn 0.99 Sb 0.01 ), the Seebeck coefficient S is lower in Example 2 combined by the PLD method than in Comparative Example 5 that is not combined. There wasn't.

一般に、ゼーベック係数Sは、キャリア濃度に依存して変化する。この場合、ゼーベック係数Sの低下は、母相と酸化物の反応に伴うキャリア濃度の増加に由来する。実施例1、2でゼーベック係数Sの低下率が抑制されたのは、キャリア濃度の増加に伴う効果にフィルター効果が加わったためと推測される。
通常、熱電材料を実用化する場合、キャリア濃度の最適化を行う。表2には、キャリア濃度を最適化した場合の無次元性能指数ZTも併せて示した。キャリア濃度の最適値は、電気伝導度とゼーベック係数の実測値から、Jonker-plotにより求めた。表2より、キャリア濃度最適化前後の無次元性能指数ZTの差(ΔZT)は、溶液法を用いた場合に比べてPLD法を用いた場合の方が大きいことがわかる。
In general, the Seebeck coefficient S varies depending on the carrier concentration. In this case, the decrease in the Seebeck coefficient S results from an increase in the carrier concentration accompanying the reaction between the parent phase and the oxide. The reason why the decrease rate of the Seebeck coefficient S is suppressed in Examples 1 and 2 is presumed that the filter effect is added to the effect accompanying the increase in the carrier concentration.
Usually, when a thermoelectric material is put into practical use, the carrier concentration is optimized. Table 2 also shows the dimensionless figure of merit ZT when the carrier concentration is optimized. The optimum carrier concentration was determined by Jonker-plot from the measured values of electrical conductivity and Seebeck coefficient. From Table 2, it can be seen that the difference (ΔZT) in the dimensionless figure of merit ZT before and after optimization of the carrier concentration is larger when the PLD method is used than when the solution method is used.

Figure 0005671985
Figure 0005671985

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.

本発明に係る複合熱電材料及びその製造方法は、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複合熱電材料及びその製造方法として使用することができる。   The composite thermoelectric material and the manufacturing method thereof according to the present invention include solar thermoelectric generators, seawater temperature difference thermoelectric generators, fossil fuel thermoelectric generators, various thermoelectric generators such as factory exhaust and automobile exhaust heat regenerative generators, optical Thermoelectric elements used in detection elements, laser diodes, field effect transistors, photomultiplier tubes, spectrophotometer cells, chromatographic columns and other precision temperature control devices, thermostats, air conditioners, refrigerators, clock power supplies, etc. It can be used as a composite thermoelectric material to be constructed and a manufacturing method thereof.

Claims (8)

以下の構成を備えた複合熱電材料。
(a)前記複合熱電材料は、
熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相と、
前記母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物からなり、前記母相の周囲を連続的かつ層状に被覆する酸化物層と、
を備えている。
(b)前記母相は、(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
(c)前記複合熱電材料は、(2)式で表される界面被覆率が50%以上である。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
A composite thermoelectric material having the following configuration.
(A) The composite thermoelectric material is
A matrix composed of a thermoelectric material and consisting of one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains,
An oxide layer comprising a metal oxide having a band gap equal to or larger than the matrix, and covering the periphery of the matrix in a continuous and layered manner;
It has.
(B) The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.
(C) The composite thermoelectric material has an interface coverage represented by the formula (2) of 50% or more.
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).
前記酸化物層は、Al23、アルカリ土類酸化物、希土類酸化物、ZrO2、TiO2、HfO2、及び、ZnOから選ばれるいずれか1種以上を含む請求項1に記載の複合熱電材料。 2. The composite according to claim 1, wherein the oxide layer includes at least one selected from Al 2 O 3 , alkaline earth oxide, rare earth oxide, ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , and ZnO. Thermoelectric material. 前記母相のサイズは、20μm以下である請求項1又は2に記載の複合熱電材料。   The composite thermoelectric material according to claim 1 or 2, wherein a size of the matrix phase is 20 µm or less. 前記複合熱電材料は、粉末又は焼結体である請求項1から3までのいずれかに記載の複合熱電材料。   The composite thermoelectric material according to any one of claims 1 to 3, wherein the composite thermoelectric material is a powder or a sintered body. 以下の構成を備えた複合熱電材料の製造方法。
(a)前記複合熱電材料の製造方法は、
熱電材料からなり、1個の結晶粒又は複数個の結晶粒の集合体からなる母相粉末を作製する粉末作製工程と、
前記母相粉末を転動させながら、前記母相以上のバンドギャップを有する金属酸化物を生成可能な物質からなるターゲットの表面にレーザー光を照射することにより、前記母相粉末の周囲を前記金属酸化物からなる酸化物層で連続的かつ層状に被覆するPLD工程と
を備えている。
(b)前記母相は、(1)式で表される組成を有するハーフホイスラー化合物を含む。
(M1-aa)1+x(Ni1-bb)1+y(Sn1-cc) ・・・(1)
但し、
0≦a<0.1、0≦b<0.1、0≦c<0.1。
−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.2。
Mは、Ti、Zr及びHfから選ばれる1種以上の元素。
Aは、IIIa族元素、IVa族元素(Ti、Zr、及びHfを除く)、Va族元素及び希土類元素から選ばれる1種以上の元素、
Bは、VIIIa族元素(Niを除く)及びIb族元素から選ばれる1種以上の元素、
Cは、IIIb族元素、IVb族元素(Snを除く)及びVb族元素から選ばれる1種以上の元素。
(c)前記PLD工程は、(2)式で表される界面被覆率が50%以上となるように、前記母相粉末の転動及び前記レーザー光の照射を行うものである。
界面被覆率=Σ(Li×100/L0i)/n ・・・(2)
但し、
0iは、i番目(1≦i≦n)の前記母相の断面の界面長さ。
iは、i番目の前記母相の断面の周囲を被覆する前記酸化物層であって、アスペクト比が10以上、かつ、厚さが1nm以上500nm以下である部分の長さの総和。
nは、前記母相の数(n≧5)。
The manufacturing method of the composite thermoelectric material provided with the following structures.
(A) The method for producing the composite thermoelectric material is as follows:
A powder production step of producing a matrix powder composed of a thermoelectric material and comprising one crystal grain or an aggregate of a plurality of crystal grains;
By irradiating the surface of the target made of a substance capable of generating a metal oxide having a band gap larger than that of the parent phase while rolling the parent phase powder, the periphery of the parent phase powder is surrounded by the metal. And a PLD step of continuously and layer-covering with an oxide layer made of an oxide.
(B) The parent phase includes a half-Heusler compound having a composition represented by the formula (1).
(M 1-a A a ) 1 + x (Ni 1-b B b ) 1 + y (Sn 1-c C c ) (1)
However,
0 ≦ a <0.1, 0 ≦ b <0.1, 0 ≦ c <0.1.
−0.1 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.2.
M is one or more elements selected from Ti, Zr and Hf.
A is one or more elements selected from group IIIa elements, group IVa elements (excluding Ti, Zr, and Hf), group Va elements and rare earth elements,
B is one or more elements selected from Group VIIIa elements (excluding Ni) and Group Ib elements;
C is one or more elements selected from Group IIIb elements, Group IVb elements (excluding Sn), and Group Vb elements.
(C) In the PLD process, rolling of the matrix powder and irradiation of the laser beam are performed so that the interface coverage represented by the formula (2) is 50% or more.
Interface coverage = Σ (L i × 100 / L 0i ) / n (2)
However,
L 0i is, i-th (1 ≦ i ≦ n) the field surface length of the section of the parent phase of.
L i is the above oxide layer covering the ambient of the cross section of the i-th of said matrix, the aspect ratio is 10 or more and the length of the part thickness is 1nm or more 500nm or less total.
n is the number of the parent phases (n ≧ 5).
前記PLD工程は、内壁に突起が設けられ、回転可能であり、かつ、回転軸方向に前記レーザー光を導入するための入射窓が設けられた容器内に前記母相粉末を挿入し、前記容器の底面に前記ターゲットを固定し、前記容器を回転させながら前記容器の回転軸方向に前記レーザー光を照射するものである請求項5に記載の複合熱電材料の製造方法。   In the PLD process, the matrix phase powder is inserted into a container provided with a protrusion on an inner wall, is rotatable, and is provided with an incident window for introducing the laser beam in the direction of the rotation axis. The method of manufacturing a composite thermoelectric material according to claim 5, wherein the target is fixed to the bottom surface of the substrate and the laser beam is irradiated in the rotation axis direction of the container while rotating the container. 前記突起の立ち上がり角度の絶対値は、20°以上60°以下である請求項6に記載の複合熱電材料の製造方法。   The method for producing a composite thermoelectric material according to claim 6, wherein an absolute value of a rising angle of the protrusion is 20 ° or more and 60 ° or less. 前記PLD工程で得られた粉末を成形し、焼結させる焼結工程をさらに備えた請求項5から7までのいずれかに記載の複合熱電材料の製造方法。   The manufacturing method of the composite thermoelectric material in any one of Claim 5-7 further equipped with the sintering process which shape | molds the powder obtained by the said PLD process, and sinters it.
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