小矢野研究室 小矢野 幹夫 准教授

Photo: 小矢野 幹夫 准教授

〈専門分野〉固体物性、熱電変換、ナノ複合材料、低次元伝導体の物理
〈キーワード〉グリーンイノベーション、低温物性、半導体物性、熱電デバイス

熱電変換材料と熱電変換の物理─次世代のエネルギーと環境のために─

研究内容

 今日のエネルギー問題を打開するひとつの手段として注目を集めているのが、『熱電変換技術』です。熱電変換技術を用いると、『質の悪い熱エネルギー』と『良質の電気エネルギー』を相互に直接変換することが出来ます。私たちの研究室では、最先端設備と独創的な実験手法を用いて、熱電変換材料とその関連化合物の多様な物性を探索するとともに、新規ナノ複合材料の創製を行っています。

1.新しい熱電変換材料の開発

 特殊な半導体(熱電材料)に温度差を付けると、半導体内部の伝導電子の速度分布が変化し、半導体の両端に電圧が発生します。これが熱電変換技術の基本となる『ゼーベック効果』です。熱電材料の電気抵抗を低く抑えておけば、この効果により大きな電力を得ることが出来ます。これが、次世代の廃熱利用技術として期待されている『熱電発電』の原理です。一方、同じ熱電材料に直流電流を流すと、ペルチェ効果により両端に温度差が発生します。これを『熱電冷却(電子冷却)』と呼び、既にフロンを使わない冷蔵庫や光通信用レーザーダイオードの温度安定化など、幅広い分野で実用化されています。
 私たちの研究室では、現在、(1) 複雑な構造を持つカルコゲン化合物や (2) 強磁性微粒子とビスマス系化合物のハイブリッドなどを作製し、それらの物性を調べています。私たちは、物理現象のあらわになる低温での物性を解析することにより、高い熱電変換性能の発現機構を明らかにしようとしています。また、ここで得られた知見を元に作製した材料の高温における熱電性能を評価するためのシステムも作製中です。
 さらに、インクジェット印刷技術を利用して熱電変換モジュールを作製するプロジェクトも行っており、熱電産業のブレイクスルーにも寄与できると考えています。

熱電変換技術の基本となるゼーベック効果:熱電材料に温度差を付けると、伝導電子の速度分布が変化する。

化学気相成長法で育成されたビスマス・テルル熱電材料の純良単結晶:結晶構造を反映した六角形の板状結晶が得られている。
マイクロコンタクトにおける局所ペルチェ係数の測定:熱電材料に微細な針を接触させて電流を流すと、微小領域でのペルチェ効果が観測できる。

2.熱電変換の物理とナノ熱電材料の評価手法の開発

 熱電変換現象が起こるときには、試料界面という非常に薄い領域で、電気エネルギー⇔熱エネルギーの変換が起こっています。このメカニズムを解明することは、熱電現象の基礎的理解を深めるばかりでなく、近年盛んなナノ構造での熱輸送の問題解明にも役立ちます。
 我々の研究室では、断熱真空中で熱電材料に非常に細い探針を接触させ、このマイクロコンタクトでの局所ペルチェ係数を測定することに成功しました。他にもラマン散乱法を利用したマイクロメートル領域での熱電材料の評価や、ナノ熱電微粒子凝集体の熱電性能測定手法の開発を行っています。

使用装置

試料作製用電気炉、X線回折計、透過型電子顕微鏡、SQUID磁束計、低エネルギーラマン散乱分光装置、熱電性能測定装置、ポイントコンタクト型局所熱電性能測定装置、電流磁気効果測定装置、液化ヘリウム

過去5年間の主な研究業績

  1. S. Nishino, K. Suekuni, K. Ohdaira, and M. Koyano, Development of thermal conductivity measurement system using the 3ω method and application to thermoelectric particles, J. Electronic Materials DOI: 10.1007/s11664-014-2993-9 (2014).
  2. K. Suekuni, K. Tsuruta, M. Kunii, H. Nishiate, E. Nishibori, S. Maki, M. Ohta, A. Yamamoto, and M. Koyano, High-performance thermoelectric mineral Cu12-xNixSb4S13 tetrahedrite, J. Appl. Phys. Vol. 113, 043712 (2013).
  3. D. V. Lam, T. Ariga, K. Takahashi, K. Suekuni, and M. Koyano, Percolation Conduction in the Hybrid Thermoelectric Material Consisting of Bi0.88Sb0.12 and Barium Ferrite Particles, J. Electronic Materials, DOI: 10.1007/s11664-012-2436-4 (2013).
  4. T. Ariga, M. Koyano, and A. Ishida, Nernst Coefficient and Scattering parameter in PbTe films, Phys. Status Solidi B, Vol. 249, 1546 (2012).
  5. M. Koyano, J. Tanaka, K. Suekuni and T. Ariga, Single crystal growth of Bi-Sb-Te thermoelectric materials by halide chemical vapor transport technique, J. Electronic Materials, Vol. 41 (6) 1317-1321 (2012).
連絡先

小矢野 幹夫/E-mail:koyano@jaist.ac.jp TEL:0761-51-1511 FAX:0761-51-1515
URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/kotai/koyano/

『多様な物性に多様な価値観で挑む』をモットーに、古い歴史と新しい可能性を持つ熱電変換材料とその関連化合物に対して基礎物理と応用の両面からチャレンジし、今まで誰も知らなかった現象を発見したり新規材料を創製することを目指しています。