Nb_0.8Ti_0.2FeSbにおけるPbI₂駆動型マルチスケール欠陥エンジニアリングによる高い熱電性能の達成

科学分野:

• 材料科学
• 物性物理学
• 熱電変換材料

背景:

• NbFeSbベースのハーフフルラー合金は、良好な電気的および機械的特性を有するが、高い格子熱伝導率によって制限されている。
• 複雑な微細構造を得るための高温処理要件のため、これらの合金の熱伝導率を低減することは困難である。

研究 の 目的:

• NbFeSb合金に階層微細構造を作成し、熱伝導率を低減させる方法を開発すること。
• これらの微細構造が熱電特性および機械的特性に与える影響を調査すること。

主な方法:

• Nb_0.8Ti_0.2FeSbのボールミリング中にPbI₂を導入すること。
• 高温焼結中にPbI₂を昇華させて階層構造を形成すること。
• 微細構造、熱伝導率、電気伝導率、電力因子、および機械的特性を特性評価すること。

主要な成果:

• PbI₂ナノ相、コアシェル型Pb構造、マルチスケール多孔質構造、Fe空孔を含む階層構造が形成された。
• 全スペクトルフォノン散乱と格子軟化により、格子熱伝導率が973 Kで32%低減し、3.34 W m^-1 K^-1となった。
• 電力因子は52.7 µW cm^-1 K^-2（zT ~ 1）に達し、電気伝導率も改善した。
• 圧縮強度は38%増加して1132 MPaとなり、マイクロビッカース硬度は950 HVに達した。

結論:

• 昇華性化合物は、高温熱電材料において効果的に階層構造を形成する。
• このアプローチは、熱電効率と機械的強度を同時に向上させる。
• 開発された方法は、先進的な熱電材料への道を提供する。