物质の热伝导率を低减させる新机构を発见 －高性能な热电材料开発の新たな指针に－

物质の热伝导率を低减させる新机构を発见　－高性能な热电材料开発の新たな指针に－

2022年12月26日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　山田高広　教授

【発表のポイント】

トンネル空间の中に原子锁が内包された结晶构造を有する金属间化合物が、着しく低い热伝导率と高い热电特性を有することを実証した。
原子锁を构成する原子がトンネルの伸长方向に沿って大きな振幅で振动（ラットリング^(*1)）しており、それらラットリング原子间の距离が近い化合物ほど热伝导率が低下することを実験と理论计算により见出した。
热电材料^(*2)の性能は熱伝導率が低いものほど向上するため、この熱伝導率の低減機構は、高性能な热电材料開発の新たな指針となることが期待される。

【概要】

物质の热の伝わりやすさである热伝导率を制御することは、放热や断热といった生活に身近な応用に加えて、电子デバイスの高性能化や自动车等の省エネルギー化、また発电効率や各种の材料特性の向上など、热に関する様々な课题解决や热エネルギーの有効利用に欠かせないサーマルマネージメント技术の一つとして注目されています。

东北大学多元物质科学研究所の山田高広教授、山根久典教授、同大学院工学研究科の菅野雅博博士课程学生（研究当时）、大阪大学大学院工学研究科の吉矢真人教授、京都大学大学院工学研究科の高津浩讲师、阴山洋教授、产业技术総合研究所化学プロセス研究部门の池田拓史上级主任研究员と省エネルギー研究部门の永井秀明主任研究员らの研究グループは、金属间化合物の结晶构造内のトンネル空间に配置した原子が、大きな振幅で振动しながら互いに强く相関することにより、物质の热伝导率が着しく低减する现象を、実験および理论计算より明らかにしました。

本研究により見出された熱伝導率の新しい低減機構は、エネルギー変換デバイスとして様々な領域での活用が期待される高性能な热电材料の開発の新たな指針となることが期待されます。

本研究成果は、2022年12月17日付けで、ドイツ科学雑誌 Advanced Materialsのオンライン版に掲載されました。

概略図　結晶構造内にトンネル空間を有した金属間化合物(Na-;-Sn系化合物, XはAl, Ga, In, Zn)では、トンネル内のNa原子はトンネルの伸長方向に沿って大きな振幅で振動（ラットリング）しており、それらNa原子の局所的な原子間距離(G_Na-Na)が近い化合物ほど格子热伝导率が低下することが明らかにされました。トンネル内の原子锁様のラットリング原子が互いに强く相関することによって引き起こされる、热伝导率の新しい低减机构です。

【用语解説】

注1.ラットリング
结晶の中の原子が异常に大きな振幅で振动する现象。これにより格子を伝わる热を散乱し、热伝导率を大きく减少させる効果があると考えられています。この现象の多くは、カゴ状の大きな空间（隙间）に配置した原子に観察されますが、その本质は未だ十分に理解されていません。

注2.热电材料
物質に温度差を生じさせると、それに比例した電位差（熱起電力）が発生します。この現象（ゼーベック効果）を利用して、廃熱などの未利用熱を電気エネルギーに変換する材料が热电材料です。また、热电材料に電流を流すことにより温度差を生じさせる現象（ペルチェ効果）を用いて、電子冷却や温度制御を行う応用例もあります。热电材料の性能は、単位温度差当たりの熱起電力（熱電能）が大きくて電気を流しやすく、熱を伝えにくいものほど高くなります。

详细（プレスリリース本文）