熱電

スカッテルーダイト

(Co,Ni,Fe)(P,Sb,As)₃という構造を持つ立方晶のスクッテルダイト系材料は、高い電子移動度と高いゼーベック係数を持つため、高いZT値が期待されます。

未充填のCoSb3系スカッテルダイトは、本質的に large な熱伝導率という欠点があり、これがZT値を低下させています。 しかし、これらの材料には空隙が含まれており、そこに低配位イオン（通常は希土類元素）を挿入することができます。これらは、格子フォノン散乱の源を作り出すことで熱伝導率を変化させ、電気伝導率を低下させることなく、格子に起因する熱伝導率を低下させます。これにより、これらの材料はPGEC（フォノンガラス・電子結晶）のような挙動を示すようになります。 ZT値を最適化するためには、熱伝導率に関与するフォノンがガラス中と同様に材料内を伝播し（フォノンの散乱度が高く、熱伝導率を低下させる）、一方、電子は結晶中と同様に伝播する（散乱がほとんどなく、電気伝導率を維持する）ことが提案されています。

La0.9CoFe3Sb12の格子熱伝導率と性能指標

熱伝導率を低減するためにLa0.9CoFe3Sb12にナノ粒子層を導入した場合の影響について、550°Cまで調査しました。熱伝導率（l）は、 DSC 404 F1 Pegasus^®®で予め決定された比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）を用いて計算しました。格子熱伝導率は、ヴィーデマン・フランツの関係式を用いて電気熱伝導率を算出し、それをltotalから差し引くことで求められました。

452°Cにおいて、ZTは最大値を示し、5 wt.-%のナノコンポジットは、ナノ粒子を含まない対照試料（オレンジ色の点）に比べて約15%の改善を示し、最も高いZTを示しました。 これらの結果は、すでに最適化されたスクッテルダイト系にナノ粒子を導入することで、熱伝導率をさらに低減し、その結果、広い温度範囲においてZTを向上させることができることを示しています。