【プレスリリース】原子層物質の機能を活用した熱電変換材料を開発
－超伝導体研究から生まれた新しい材料設計－
【ポイント】
- 原子層物質の機能を結晶材料で活用する新しい材料設計を提案
- Fe原子が規則的に抜けたFeSe原子層を有する層状結晶を合成
- 高効率な熱電変換に必要な高い熱電出力と極めて低い熱伝導率の両立を実現
【概要】
東京科学大学（Science Tokyo）総合研究院 フロンティア材料研究所の片瀬貴義教授、ホ・シンイ特定助教（兼務：神奈川県立産業技術総合研究所 常勤研究員）と、同大学 元素戦略MDX研究センターの神谷利夫教授の研究グループは、熱電材料とは一見無関係に思える超伝導体の研究から着想を得て設計した層状結晶TlFe1.6Se2（Tl：タリウム、Fe：鉄、Se：セレン）が、高効率な熱電変換材料として有望であることを明らかにしました。
工場や自動車などでの未利用熱を電力へ変換できる熱電変換技術は、カーボンニュートラル社会の実現に向けた重要なエネルギー変換技術です。しかし、高い発電性能を得るには、熱から大きな電力を取り出す「高い熱電出力」と、発電の駆動力となる温度差が失われにくい「低い熱伝導率」を両立する材料の開発が課題とされています。
超伝導体は一般に熱電出力が小さく、熱電変換材料としては注目されてきませんでしたが、近年、鉄系超伝導体であるFeSeが極めて高い熱電出力を持つことが報告されています。その一方で、この優れた特性はFeSeの極薄膜に限られ、さらにFeSe自体は熱伝導率が比較的高いため、高性能熱電材料としての実用化は困難でした。
本研究では、FeSe原子層とTl層が交互に積み重なり、さらにFeSe原子層中にFe原子が規則的に抜けた構造（Fe空孔）を有する層状結晶TlFe1.6Se2に着目し、その熱電特性を調べました。その結果、TlFe1.6Se2は通常のFeSe結晶と比べて熱電出力が大幅に高いだけでなく、熱伝導率が著しく低いことが明らかになりました。さらに第一原理計算により、Fe空孔の存在によって周囲の原子が変位し、原子同士の結合の強さが不均一になることで、熱を運ぶ原子振動の伝播が強く妨げられることが確認されました。これにより、TlFe1.6Se2は実用熱電材料よりも低い熱伝導率を示す、高効率な熱電変換材料として有望であることが分かりました。
本研究は、原子層物質の機能を結晶材料で活用する新しい材料設計の有効性を示したものであり、今後の高効率熱電材料の開発を加速することが期待されます。
本研究成果は4月30日に「Journal of Materials Chemistry A」誌に掲載されました。
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