熱流と垂直方向に発電する新しい熱電材料を開発：縦型熱電モジュールで耐久性改善

産業技術総合研究所（産総研）と島根大学は、熱流と垂直方向に発電する新しい熱電材料「ゴニオ極性材料」を開発した。室温より高い温度域で使用する場合でも、熱劣化が生じにくい熱電モジュールの開発が可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

島根大学、第一原理計算でゴニオ極性発現メカニズムを解明

　産業技術総合研究所（産総研）と島根大学は2024年2月、熱流と垂直方向に発電する新しい熱電材料「ゴニオ極性材料」を開発したと発表した。室温より高い温度域で使用する場合でも、熱劣化が生じにくい熱電モジュールの開発が可能となる。

　廃熱を用いて発電する熱電発電は、振動や騒音がなく原理的にメンテナンスフリーという特長がある。ところが、実用化されている熱電材料は、室温付近で動作するものがほとんどで、室温より高い温度域では性能が劣化するなど、耐久性に課題があった。

　これらの課題を解決するため研究グループは、温度差方向と発電方向が直交する「横型」の熱電モジュールに注目した。この熱電モジュールを実現するため、1種類の材料中で電子とホールの移動方向が結晶方位によって異なる「ゴニオ極性材料」の利用が提案されているという。

　産総研は今回、キャリア密度を精密に制御した「Mg₃Sb₂」と「Mg₃Bi₂」の単結晶を作製し、これらがゴニオ極性材料であることを発見した。第一原理計算によると、電子は材料中を等方的に伝導する。これに対しホールは異方的（縦方向のみ）に伝導する。両方のバランスによってゴニオ極性が発現するという。

　キャリア密度が異なる試料を用いて実験を行った。この結果、Mg₃Sb₂単結晶は、キャリア密度が10¹⁸cm^-3以下の時に、ゴニオ極性が発現した。10¹⁹cm^-3以上の高濃度領域では、ゴニオ極性が失われ等方的となった。その原因は、Mg₃Sb₂が半導体であり、ホールの寄与が無視されるほど小さくなったためだという。

Mg₃Sb₂およびMg₃Bi₂の結晶構造［クリックで拡大］ 出所：産総研

Mg₃Y_0.002Sb₂のゼーベック係数と温度変化および、キャリア密度が異なる試料の300Kにおけるゼーベック係数［クリックで拡大］ 出所：産総研

　Mg₃Bi₂単結晶も同様に、ゴニオ極性を示すことが分かった。さらに、Mg₃Bi₂は半金属的な性質を持ち、電子とホールの両方が電気伝導に寄与する。このため、キャリア密度が10¹⁹cm^-3以上の高濃度領域でもホールがキャリアとして機能し、ゴニオ極性を示すという。しかも、Mg₃Bi₂の電気抵抗率は20μΩm以下と極めて低く、横方向熱電性能指数「Z_xyT」は室温において0.06であった。実験結果と第一原理計算の結果はほぼ一致した。

Mg₃Bi₂のゼーベック係数と温度変化および、キャリア密度が異なる試料の300Kにおけるゼーベック係数［クリックで拡大］ 出所：産総研

　島根大学の研究グループは第一原理計算により、Mg₃Sb₂とMg₃Bi₂のゴニオ極性発現メカニズムを解明した。電子フェルミ面は球状をしており、電子が物質中を等方的に伝導する。これに対しホールフェルミ面は、平らな形状で縦方向のみにホールが伝導する。フェルミ面の異方性（バンド異方性）はMg₃Bi₂も同じであり、電子とホールの伝導異方性を制御することによって、ゴニオ極性が発現していることを確認した。

Mg₃Sb₂の電子フェルミ面とホールフェルミ面［クリックで拡大］ 出所：産総研

　今回の研究は、産業技術総合研究所（産総研）省エネルギー研究部門の後藤陽介主任研究員、李哲虎首席研究員、村田正行主任研究員および、島根大学総合理工学部の臼井秀知助教らが共同で行った。