高性能な低温熱電変換材料の開発に道 銀ナノシートを有する層状化合物において超高電子移動度を実現
最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」（中心研究者：十倉好紀）の事業の一環として、東京大学大学院工学系研究科の石渡晋太郎 准教授と理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らの研究グループは、層状化合物β-CuAgSeが、室温程度の熱を効率的に電気エネルギーに変換する熱電変換素子の材料として有望であることを発見しました。
© Shintaro Ishiwata. 格子点に存在する赤と紫の球体は、それぞれ銅とセレンを表す。伝導電子（銀の球体）が、銅?セレン層に挟まれた銀層の中を、奥の熱せられた領域から手前側に向かって超高速で移動している様子を示したイメージ図。
熱電変換素子は、廃熱を再利用できる発電機としてだけでなく、冷凍機（ペルチエ式クーラー）としての機能をもたせることができます。ペルチエ式クーラーは小型化できるなど様々な特徴を備えていますが、その冷却能力はコンプレッサー式には遠く及ばず、低温でより高い性能をもつ新しい熱電材料の開発が望まれていました。本研究では、銀のナノシートを有する層状化合物β-CuAgSeに化学置換を行うことで、室温から-200℃までの低温領域でビスマス系化合物に匹敵する高い熱電性能を示すことを見いだしました。また、輸送特性や第一原理計算から、銀ナノシートを流れる電子が極めて高い移動度をもっており、このことが高い熱電性能をもたらす主たる要因であることを突き止めました。これらの成果は、より高性能なペルチエ式クーラーのための熱電材料の開発に、新たな設計指針をもたらすものと期待されます。
本研究成果は、2013年4月22日に英国科学誌「Nature Materials」のオンライン版で公開されました。
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論文情報
S. Ishiwata, Y. Shiomi, J. S. Lee, M. S. Bahramy, T. Suzuki, M. Uchida, R. Arita, Y. Taguchi, Y. Tokura,
“Extremely high electron mobility in a phonon-glass semimetal”,
Nature Materials Online Edition: 2013/4/22 (Japan time), doi: 10.1038/NMAT3621.
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