熱伝導度の低減による熱電特性向上のメカニズムを原子スケールで解明

• 走査型透過電子顕微鏡によって、熱電変換材料であるテルル化スズに添加された銅原子の位置を原子スケールで特定することに成功
• 原子スケールでの元素位置の特定により、多様な銅原子由来の欠陥が協力的にテルル化スズの熱伝導度を低減させ、同材料の熱電特性の大幅な向上に繋がったことを究明
• 本研究報告により、大規模な廃熱を伴う産業界全体のエネルギー収率の向上を通してカーボンニュートラル社会の実現を加速させることを期待

　「熱電材料」は、熱エネルギーと電気エネルギーを”不可逆的”に変換できる材料として注目を集めています。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する現象を「ゼーベック効果^※１」と呼び、これまで利用されずに捨てられていた熱エネルギー、つまり”廃熱”を電気エネルギーに変換できるクリーンな発電方法であることを意味しています。高効率な熱電材料を実現するためには、対象となる熱電材料にはもともと含まれない「第三の元素」を添加することで熱電特性を高めるという手段が有効です。特に熱電材料の開発では、元素添加を通して熱伝導度を低減させて、熱電変換効率を向上させるという戦略をとります。したがって、元素添加された熱電材料に含まれる第三の元素が材料中において原子スケールでどのように分布しているのかを知ることは、熱電特性の向上のメカニズムを解明することに繋がります。しかし、原子スケールで添加元素の空間分布を特定することは、高い計測技術と解析技術を必要とするため、これまでの熱電材料に関する研究では、その詳細は明らかにされていませんでした。
　今回、九州大学大学院工学研究院（クイーンズランド大学・博士課程研究生）の川見洋一郎学術研究員（論文執筆当時）、および山本知一助教、吉岡聡助教、村上恭和主幹教授、松村晶教授（研究当時）らの研究グループは、最先端の電子顕微鏡技術と情報科学的手法（微弱信号の抽出技術）を組み合わせることにより、銅添加されたテルル化スズという熱電材料に存在する銅原子の位置を原子スケールで特定することに成功しました。また、計算化学シミュレーションによる検証も行うことで、なぜ銅原子が実験で観測された位置に存在できるのかを理論的に明らかにしました。銅原子は、従来考えられていたスズサイトに存在するだけでなく、スズとテルルが作る結晶格子の隙間にも格子間原子^※２として存在することが判明し、テルル化スズの熱伝導度の低減とそれに伴う熱電効率の向上に貢献していることが示唆されました。このように、銅原子の添加によるテルル化スズの熱電特性向上に関するメカニズムが、超顕微解析研究センターの最先端の電子顕微鏡によって視覚的に明らかになりました。
　本研究の成果は2024年10月04日(金)発行のWileyの国際学術誌「Advanced Materials」オンライン版で公開されました。

※１　ゼーベック効果
材料に温度差を与えると、その温度差に比例した起電力が発生するという熱電効果の１つ。ゼーベック効果による起電力は、ゼーベック係数という指標によって評価することができます。ゼーベック係数が高い材料は、高い起電力を示す材料といえるため、高いゼーベック係数を示す熱電材料を探索することが求められます。 

※２　格子間原子
固体材料の結晶格子において、本来の原子位置ではなく、それらの隙間に存在する原子のこと。格子間原子の代表的な例は、鉄の結晶格子の隙間に存在する炭素原子です。格子間原子としての炭素を含む鉄は鋼と称され、鉄よりも機械的特性が大幅に向上されます。本研究では、テルル化スズの結晶格子の隙間に銅原子が格子間原子として存在することが直接確認されて、同材料の熱伝導度が大幅に低下したことに貢献していると考えられます。

掲載誌：Advanced Materials
タイトル：Cu-Atom Locations in Rocksalt SnTe Thermoelectric Alloy
著者名：Youichirou Kawami, Xuan Tran Quy, Tomokazu Yamamoto, Satoru Yoshioka, Yasukazu Murakami, Syo Matsumura, Kazuhiro Nogita, Jin Zou
DOI：10.1002/adma.202410508

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工学研究院　村上 恭和　主幹教授