Cu合金化によるn型Bi₂₋ₓSbₓTe₃熱電材料の電力係数およびZT最適化のための微細構造工学

科学分野:

• 材料科学
• 物性物理学
• エネルギー変換

背景:

• ビスマス系合金（Bi₂Te₃）は、室温付近での熱電エネルギー変換に不可欠である。
• 性能をp型対等物に匹敵させるためには、n型Bi₂Te₃合金の最適化が不可欠である。

研究 の 目的:

• 制御された銅（Cu）合金化によるセレンフリーn型Bi₂₋ₓSbₓTe₃（BST）の熱電特性の調整。
• BSTの微細構造と熱電性能に対するCu導入および後続処理の影響の調査。

主な方法:

• ボールミリングとそれに続く溶融紡糸による制御されたCu合金化。
• Cu分散と欠陥形成を観察するための微細構造解析。
• 熱電特性測定（ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率）および性能指数（ZT）の計算。

主要な成果:

• ボールミリングはゼーベック係数を向上させたが、Cu析出により導電率が低下した。
• 溶融紡糸は導電率を回復させ、Cuの均一分散を促進し、有益な点欠陥を導入した。
• 室温付近で格子熱伝導率の低下とZT値の向上が達成された。
• 0.1 wt% Cu合金化BSTを用いた熱電デバイスは、450 Kで出力電力が20%増加した。

結論:

• Cu合金化と微細構造工学は、n型BSTの最適化に効果的な戦略である。
• 開発された方法は、特に室温付近での応用において、熱電性能と出力電力を向上させる。