【プレスリリース】「横型」熱電材料の探索を一気に加速

－温度差に垂直な方向に発電する材料の設計指針を確立－

【ポイント】

• 横型熱電の鍵となる、結晶の向きで電子と正孔の伝導が切り替わる原理を提唱
• 大規模計算により、有望な57種類の横型熱電材料を新たに特定
• 廃熱を活用する次世代発電技術への応用に期待

【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ヤン・ザン博⼠課程学⽣、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）、⽚瀬貴義教授と、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、電気通信⼤学の⾅井秀知准教授と共同で、結晶の向きによって電⼦と正孔の伝導が切り替わる特殊な半導体の設計指針を確⽴し、横型熱電発電に有望な候補材料を⾒いだしました。
　現在、廃熱を電⼒として再利⽤する熱電発電技術が注⽬されています。現在主流の「縦型」熱電素⼦では、⾼温熱源に電極を形成する必要があり、電極劣化による性能の低下が⼤きな課題となっています。これに対して、温度勾配に対して垂直な⽅向に発電できる「横型」熱電発電が注⽬されています。この⽅式を成⽴させるための鍵の⼀つが、結晶の向きによって電⼦と正孔の伝導⽅向が切り替わる「ゴニオ極性」半導体材料です。
　本研究では、理論モデルにより、ゴニオ極性半導体が満たすべき電⼦構造の条件を明らかにしました。具体的には、（i）電⼦と正孔の両⽅が伝導に寄与可能な適度に⼩さなバンドギャップを持つこと、（ii）結晶の向きによって電⼦と正孔の「動きやすさ」が⼤きく異なることが重要であることを⽰しました。この指針に基づき、材料データベースと第⼀原理計算を組み合わせた⼤規模探索を⾏い、数千種類の候補材料の中から、横型熱電発電に有望な57 種類の材料を抽出しました。その中から代表的な候補材料であるZrSe3 を詳細に解析した結果、電⼦と正孔はそれぞれ異なる⽅向の原⼦の結合ネットワークを介して輸送されていることが分かりました。このように、電⼦と正孔の移動経路が結晶⽅向によって分離していることが、横型熱電特性の発現において本質的であることが明らかになりました。
　横型熱電変換を可能にする材料設計指針と有望材料群が⽰されたことで、横型熱電材料の研究およびデバイス開発が⼤きく加速することが期待されます。
　本研究成果は「Journal of The American Chemical Society」誌に2 ⽉4 ⽇付（現地時間）に掲載されました。

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