熱電材料として「Mg2Sn単結晶」が実用レベルに：熱電発電デバイスへの応用に期待

東北大学と精華大学（中国）の研究グループは、マグネシウム・錫化合物（Mg2Sn）単結晶について、n型とp型の両方で熱電性能を高めることに成功した。自動車排熱や産業排熱を利用して発電する熱電発電デバイスへの応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

無置換のMg2Sn単結晶に比べ、zTはn型が62倍、p型が32倍

　東北大学と精華大学（中国）の研究グループは2025年3月、マグネシウム・錫化合物（Mg₂Sn）単結晶について、n型とp型の両方で熱電性能を高めることに成功したと発表した。自動車排熱や産業排熱を利用して発電する熱電発電デバイスへの応用が期待される。

　熱電発電デバイスは、n型とp型の熱電材料をπ字型に直列接続した構造となっており、デバイスの片側を排熱で加熱すれば発電する仕組みだ。共同研究グループはこれまで、Mg₂Sn単結晶にMgの空孔欠陥を導入する手法を開発してきた。

　そして、単結晶の電子やホールを増やすため、アンチモン（Sb）やリチウム（Li）で部分置換したところ、多結晶よりも高い無次元性能指数（zT）が得られたという。また、ホウ素（B）で部分置換して化学的圧力を加えると、多結晶よりも低い熱伝導率となった。

熱電材料を用いた熱電発電デバイスの模式図と、Sbで部分置換したMg₂Sn単結晶の透過型電子顕微鏡像［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　実験では、Mg₂Sn単結晶をSbとBで共置換した「n型試料」および、LiとBで共置換した「p型試料」を作製した。いずれの単結晶にもMg空孔欠陥が存在することを確認した。B置換量が増えると、化学的圧力が加わったことでMg空孔欠陥の量が増え、転位密度も増大することが分かった。

　N型試料とp型試料のいずれも、Bで共置換することによりMg空孔欠陥量と転位密度は増える。一方で空孔欠陥領は小さくなった。これを受けて、B置換量が増えることによって電気伝導率はわずかに低下するものの、熱伝導率は大きく減少することが分かった。各試料におけるzTの最大値を調べたところ、n型はSb、B共置換試料が「0.83」で最も高く、p型ではLi、B共置換試料が「0.42」となった。この値は、無置換のMg₂Sn単結晶に比べ、それぞれ62倍および32倍である。

Mg空孔欠陥量と転位密度のB置換量依存性［クリックで拡大］ 出所：東北大学

空孔欠陥領域の大きさと密度のB置換量依存性［クリックで拡大］ 出所：東北大学

n型とp型のMg₂Sn単結晶におけるzT比較［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　今回の研究成果は、東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻の黄志成助教と林慶准教授、宮崎譲教授および、精華大学（中国）の李敬鋒教授らによるものである。