マテリアル インテグレーション 2005年9月号
特集　世界の熱電変換材料(1)

巻頭言
特集にあたって
名古屋大学大学院工学研究科　教授　河本　邦仁
熱電変換材料の科学技術は,20世紀終盤から21世紀初頭にかけて大きく転換してきました.1950年代から君臨してきたビスマステルルに替わる新しい材料系が次々に発見,提案され,ペルチエ熱電冷却の新しい応用や熱電発電への大きな展開もようやく視野に入ってきました.この科学技術のうねりは,アメリカ,ヨーロッパ,アジアを中心にますます高まっており,近々世界が注目するであろう大きなブレークスルーの前夜的様相を呈してきています.
一方,行き詰まりつつある環境・エネルギー問題の有効な解決策として,分散している未利用熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術へのニーズは大変高く,世界各国の中心的開発課題として取り組みが行われている現状です.
このような背景を踏まえ,本特集号では,熱電変換材料工学における世界第一線級の科学者が取り組む先端研究を紹介していただき,熱電材料と応用に関する世界の研究動向と将来の可能性を探ることにしました.
今回は「その1」として,日本から3報,中国から2報,フランスから2報,アメリカから1報の報告をいただきました.この特集が関係各位の参考となれば望外の喜びです.なお.誌面の制限や著者の都合から紹介しきれなかった方々も多いこと,また,展開が急であることから今後も続けて本誌の特集として世界の動きを追っていく予定でいることを付記します.

n型酸化物熱電変換材料の設計指針
■著者
名古屋大学大学院工学研究科/科学技術振興機構　CREST　太田　裕道　他

■要約
最近筆者らは金属間化合物系熱電変換材料の基本的な材料設計指針を$n$型酸化物の材料選択に適用し,約700℃で性能指数ZT=0.37(報告されているn型酸化物としては最高値)を再現性良く実現した.本稿では,現在筆者らが高温酸化物熱電変換材料として着目しているペロブスカイト型SrTiO3系の熱電特性を紹介する.


層状金属酸化物による熱電変換材料の設計
■著者
早稲田大学理工学部　応用物理学科　寺崎　一郎

■要約
この小文では,我々がこれまで調べてきた層状遷移金属酸化物の熱電特性について簡単に紹介し,全体を貫く特徴を俯瞰する.


酸化物を用いた熱電発電モジュールの開発
■著者
産業技術総合研究所/科学技術振興機構CREST　舟橋　良次　他

■要約
ここでは,我々が最近報告した酸化物熱電発電モジュール開発までの道のりを述べる.


Development of Bi2Te3-Based Sintered Materials with High Thermoelectric Performance
■著者
Shanghai Institute of Ceramics, State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructure　Lidong Chen

■要約
Bi2Te3-based materials have been widely used in thermoelectric (TE) cooling module because of their excellent thermoelectric performance at around room temperature. However, they have the disadvantage of poor mechanical properties, which results in high fabrication cost and greatly restricts the applications such as in the miniature thermoelectric modules. The development of Bi2Te3-based materials with both high thermoelectric performance and high mechanical strength has been attracting great attention in the TE industrial field. In the present study,
n-type and p-type Bi2Te3-based sintered materials with highly preferred grain orientations have been fabricated by spark plasma sintering (SPS) technique. The obtained textured Bi2Te3-based materials show both a high mechanical strength (as 80MPa in bending strength which is 7 to 8 times as that of the melted ingot materials) and a significantly improved thermoelectric performance. The dimensionless figures of merit (ZT) of the sintered materials for p-type and n-type reach 1.22 and 0.98, respectively, which are comparable to those of the zone-melted ingots.


Development of Thermoelectric Micromodules with High-Aspect-Ratio Elements
■著者
Department of Materials Science and Engineering　Jing-Feng Li

■要約
We have combined MEMS technology and materials processing into a novel process to manufacture thermoelectric micro-modules with densely aligned fine and high-aspect-ratio p-n elements. Our process consists of the following major steps: (1) micromachining a silicon mold with microhole array in both sides; (2) filling a single mold with p- and n-type thermoelectric materials; (3) connecting p- and n-type elements and assembling the whole module. By using the present process, Bi-Sb-Te system thermoelectric elements of 300 μm height and 40 μm cross-sectional width were fabricated successfully.


Nanostructured Thermoelectric Materials: From Superlattices to Nanocomposites
■著者
Massachusetts Institute of Technology　Gang Chen

■要約
Energy transport in nanostructures differs significantly from macrostructures because of classical and quantum size effects on energy carriers.
Experimental results show that the thermal conductivity values of nanostructures such as superlattices are significantly lower than that of their bulk constituent materials. The reduction in thermal conductivity led to a large increase in the thermoelectric figure of merit in several superlattice systems. Materials with a large thermoelectric figure of merit can be used to develop efficient solid-state devices that convert waste heat into electricity. Superlattices grown by thin-film deposition techniques, however, are not suitable for large scale applications. Nanocomposites represent one approach that can lead to high thermoelectric figure of merit with mass production. This paper reviews the current understanding of thermal conductivity reduction mechanisms in superlattices and presents theoretical studies on thermoelectric properties in semiconducting nanocomposites, aiming at developing high efficiency thermoelectric energy conversion materials.


Oxides as New Thermoelectric Materials
■著者
Laboratoire CRISMAT　A. Maignan

■要約
Due to their chemical stability in air at high temperatures, the metal-transition oxides are very promising materials for thermoelectricity generation. The "misfit" cobaltites with complex crystallographic structures provide a nice illustration of p-type materials already used in
thermoelectric devices. This compounds family is described in the present paper.


Peltier modules for calibrated quenching at high temperature in space applications
■著者
Laboratoire de Physique des Materiaux,　H. Scherrer

■要約
We built Peltier modules with iron disilicide (β FeSi2) thermoelectric material to perform a pulse of heating or cooling at high temperature (up to 1000K) .These modules allowed a precise and fast temperature control of an experimental cell provided for the study of the chemical reaction in critical/ supercritical fluids in selected microgravity experiments . The technique of fabrication of the modules as well as the measurement set-up are described and discussed.


連載
タイ便り(その32)タイ人
■著者
Chulalongkorn Univ. Faculty of Science 教授　和田　重孝

■要約
すでにタイ便りの初めのほうでタイ人理解のためのいろいろの書籍をご紹介したが,今日は,また別の側面のご紹介をしようと思う.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した偉人,怪人,異能,努力の人々(22)粘土研究に一生を捧げられ,日本の粘土鉱物学の体系を確立し,多数の後継者を育成し,日本の粘土鉱物学を世界の先駆的レベルにまで昇進させる礎石を築いた親子2代教育者であった東京教育大学　須藤俊男教授
■著者
宗宮　重行


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に友好や親善に尽力した世界の大学教授 (19) オランダからカナダ経由でアメリカに移り,カリフォルニア大学バークレー校で博士号をとり,Virginia Polytechnic Institute and State Universityの教授になり,研究者,教育者として活躍すると共に,Thermo Physics, Inc.,という会社を設立し,その社長として活動しているD. P. H. Hasselman教授
■著者
宗宮　重行