高効率な熱電変換を可能にする新しいタイプの大振幅原子振動 － 新規熱電材料の新しい設計指針を提案 －

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）省エネルギー研究部門【研究部門長 宗像 鉄雄】熱電変換グループ 李 哲虎 主任研究員と、国立大学法人 九州大学【総長 久保 千春】（以下「九大」という） 大学院総合理工学研究院 末國 晃一郎 准教授らは共同で、新規高性能熱電材料の新しい設計指針を提案した。
熱電発電では熱の流れの一部を電気の流れに変換して発電する。高い熱電性能を得るには高い電気伝導率と低い熱伝導率を併せ持つ必要がある。これらは一般に相反する性質であるが、両立させるには、原子の大振幅振動（ラットリング）が有効であることが知られていた。しかし、これまでラットリングは原子がかご中に取り込まれた構造を持つカゴ状物質でのみ生じると考えられており、ラットリングによる熱電性能向上を期待できる材料系は限られていた。
一方、本研究グループは、これまでにカゴ状構造を持たないテトラヘドライトでもラットリングが生じていることを発見していたが、その原因解明が課題となっていた。今回、このテトラヘドライトを詳細に調べ、カゴ状構造がなくても平面配位構造がラットリングを誘起しうることや、その原因を明らかにした。この成果は熱電材料探索の範囲を飛躍的に広げ、より高い熱電性能を持つ新材料の創製に資すると期待される。
この成果の詳細は、2018年2月1日（現地時間）にAdvanced Materials (アドバンストマテリアルズ) にオンライン掲載された。

カゴ状物質（左）と平面配位物質（右）の大振幅原子振動の概念図

図1 S3三角形の中心に位置するCu原子が大きく振動する平面ラットリングの概念図（上）と、
各種材料のS3三角形の面積とCu原子の振幅の関係（下）

図2　Sb原子/As原子（縦軸）とCu原子（横軸）の原子変位パラメーターの関係