公開日 2024年02月08日
総合理工学部 臼井秀知助教らの研究グループは、温度差と電流の向きを直交させることのできる特異な熱電材料（ゴニオ極性材料）の開発に成功しました。
一次エネルギーの多くは熱として排出されており、この未利用熱（廃熱）を有効活用するため、熱を電気に変換する熱電材料の開発が世界中で進められています。近年、高い性能を有する新材料の報告が相次いでいますが、実用化されているのは半世紀以上前に発見された、室温付近で動作するBi2Te3系材料のみです。室温より高い温度域で動作する熱電モジュールは実用化されていないことが、廃熱を用いた発電の進展を阻んでいます。特に、従来の熱電モジュールは熱流と発電方向が同じ「縦型」構造であり、発電時に高温熱源と接触した電極界面において元素拡散などの反応が生じ劣化してしまうことから、耐久性に課題がありました。本研究グループは、キャリア密度を精密に制御したMg3Sb2とMg3Bi2の単結晶を作製し、熱流と発電方向を直交方向にした「横型」熱電モジュール実現につながる極めて特異な性質（ゴニオ極性）を発見しました。横型熱電モジュールは、高温部に電極が不要な構成であるために熱劣化が起きにくく、従来型熱電モジュールのボトルネックである耐久性の課題を抜本的に解消できると期待されます。
ゴニオ極性が発現する起源を解明するために、コンピュータによる電子状態の解析を行いました。この解析から、電子のエネルギー状態の異方性により、結晶方位によって電荷キャリアの符号が異なることを明らかにしました。類似の特徴を有する物質が多く存在することから、今回用いた手法を適用すれば、より高性能なゴニオ極性材料の開発が期待できます。
なお、この技術の詳細は、2024年2月7日（米国東部時間）に「Chemistry of Materials」にオンライン掲載されます。
本研究成果について、2月8日にプレスリリースを行いました。
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熱流と垂直方向に発電する新しい熱電材料の開発[PDF：1.1MB]
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