[論文レビュー] High thermoelectric figure of merit in p-type Half-Heuslers by intrinsic phase separation

Elisabeth Rausch, Siham Ouardi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、p型Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅の半ヘスラー化合物において、内在的なミクロンスケールの相分離を活用することで、格子熱伝導率が低下し、記録的なZT=1.15を達成した。この手法は、ナノ構造化に要する高エネルギープロセスを回避し、高性能熱電材料のスケーラブルな代替手法を提供する。

ABSTRACT

Improvements in the thermoelectric properties of Half-Heusler materials have been achieved by means of a micrometer-scale phase separation that increases the phonon scattering and reduces the lattice thermal conductivity. A detailed study of the p-type Half-Heusler compounds Ti(1-x)Hf(x)CoSb0.85Sn0.15 using high-resolution synchrotron powder X-ray diffraction and element mapping electron microscopy evidences the outstanding thermoelectric properties of this system. A combination of intrinsic phase separation and adjustment of the carrier concentration via Sn substitution is used to realize a record thermoelectric figure of merit for p-type Half-Heusler compounds of ZT around 1.15 at 710C in Ti0.25Hf0.75CoSb0.85Sn0.15. The phase separation approach can form a significant alternative to nanostructuring processing time, energy consumption and increasing the thermoelectric efficiency.

研究の動機と目的

• 現在のナノ構造化手法を超えるp型半ヘスラー材料の熱電性能の向上を目的とする。
• 格子熱伝導率の低減に果たす内在的相分離の役割を調査すること。
• SbサイトへのSn置換によるキャリア濃度の最適化を目的とし、パワーファクターの向上を図ること。
• ボールミリングおよび高速凝縮に代わる、低エネルギーでスケーラブルな高ZT材料の代替手法を実証すること。
• Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅系における微細構造的特徴とマクロな熱電特性の相関を明らかにすること。

提案手法

• 均一性を確保するため、アーク融解と複数工程のアニール処理を用いてTi₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅インゴットを合成した。
• 結晶構造および相組成を正確に決定するため、高分解能シンクロトロンX線回折(XPD)を実施した。
• 元素分布のマッピングと相分離領域の同定のために、バックスクatteredエレクトロン像およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー(EDX)を用いた。
• 25 kV加速電圧下での半定量的EDX組成分析に、PB-Phi(Rho-z)マトリックス補正を適用した。
• Seebeck係数、電気伝導度、熱拡散率、比熱を測定し、κ = Cpαρを用いてZTを計算した。
• デバイス動作に相当する熱サイクリング条件下での安定性と再現性を検証するため、熱サイクリング試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p型半ヘスラー材料における内在的相分離は、格子熱伝導率を顕著に低減できるか？
• RQ2 SbサイトへのSn置換は、Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅におけるキャリア濃度およびパワーファクターにどのように影響するか？
• RQ3 従来のナノ構造化手法と比較して、相分離はZTにどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 デバイス運用に必要な熱サイクリング条件下でも、相分離微細構造は安定性を保っているか？
• RQ5 p型半ヘスラー材料のZT性能は、最先端のn型系と同等またはそれを上回るか？

主な発見

• Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅において、710 °Cで記録的なZT=1.15を達成した。これは、従来のp型半ヘスラー材料比で15%の向上を示す。
• 高分解能XPDおよびEDXマッピングにより、Hf富含およびTi富含の半ヘスラー相へのミクロンスケールの内在的相分離が確認された。
• 第二相はわずかにCo過剰を示し、L2₁構造を有するヘスラー型相と特定された。これは、共格性を持つインタメタリック析出相である可能性が高い。
• 相分離によりフォノン散乱が増強され、電気輸送特性に悪影響を及げることなく、格子熱伝導率が低下した。
• ZT=1.15は、最先端のn型Ti₀.₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅NiSn₀.₉₉₈Sb₀.₀₀₂（560 °CでZT=1.2）と同等の性能を示し、フル熱電モジュールにおける補完的利用が可能である。
• 複数回の加熱・冷却サイクルを経ても、熱電特性に変化がなく、再現性および長期的安定性が確認された。