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成果報告書詳細
管理番号20170000000851
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発 熱電変換材料の技術シーズ発掘小規模研究開発 階層的構造制御によるチムニーラダー型熱電変換材料の高性能化
公開日2018/3/16
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人東北大学大学院工学研究科
プロジェクト番号P15007
部署名省エネルギー部
和文要約非整合複合結晶構造をとる高マンガンケイ化物 HMS(MnSiγ, γー1.7)の更なる性能向上に向けては、「MnSi相の層状晶出による導電性の低下の改善」および「キャリア濃度の最適化」の2点に注目する必要がある。本研究開発では、HMSベースの固溶体において、無次元性能指数zT > 1.5達成のために不可欠な2.5 mW/K2mの出力因子の実現を目標値に設定した。最初にHMSの組成に及ぼす仕込組成や種々の合成条件の影響を詳細に調べた。また3次元結晶構造モデルを構築し、種々の元素置換を施した際の電子構造を調べた。この知見に基づいた合金設計により、HMSのMnサイトを種々の元素で部分置換することを試みた。その中で、Vによる部分置換がMnSi相の層状晶出の抑制とホールドープの両立に繋がることを見出した。また、Vと併せて電子ドープに相当するFeでMnサイトを部分置換することにより、キャリア密度が最適化されて、800 K 近傍における出力因子が2.4 mW/K2mと、無置換試料の2倍程度の性能を示すことを明らかにした。
英文要約 To further enhance thermoelectric (TE) properties of higher manganese silicides (HMS), the dissipation of layered precipitates of the MnSi phase as well as the optimization of the hole carrier concentration are critical. We have performed a systematic study to investigate the effect of preparation condition on the chemical composition of HMS samples. The goal to realize dimensionless figure of merit zT > 1.5 is to achieve TE power factor of 2.5 mW/K2m. We first calculated electronic structures of partially substituted samples for the Mn sites. Based on the guiding principles, we have confirmed that the dissipation of the MnSi phase and the hole carrier doping have been simultaneously achieved by a lightly vanadium-substituted solid solution of (Mn1-xVx) Si1.7. Moreover, a simultaneous substitution of V and Fe, the latter corresponds to electron-doping, realized the highest TE power factor of the HMS-based systems, 2.4 mW/K2m, almost twice as that of V-free samples, at 800 K.
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