当該研究のポイント
・キャリア極性（p型・n型）が方向により異なる多結晶材料を開発
・大型化・加工が容易な多結晶における特性が発現することを確認
・材料ひとつで熱電発電を行う新しいモジュールへの応用が可能
・さらなる高性能物質の開発へ期待
【論文情報】令和３年4月13日
American Institute of Physics (AIP) 刊行の英文誌「Applied Physics Letters」（オンライン版）に詳細掲載
研究の背景と経緯
熱電変換は、熱と電気を相互変換する技術である。可動部がないために振動や騒音が発生せず、工場の廃熱を用いた発電(1)や、小型軽量な精密機器冷却(2)への利用など広く実用化の研究が進められてきた。従来の熱電変換では、熱流出による外部回路の破損を防ぐために、キャリア極性(3)がp型の材料と、n型の材料を組み合わせてモジュールを組み立てる。すなわち、それぞれの材料の熱電特性を最適化したうえで、機械強度や化学的安定性の異なるp型・n型材料を組み合わせて熱電変換素子を作製する必要があった。これに対し、結晶中のある方向においてはp型であり、別の方向にはn型である、という方向依存性を示す材料を用いた場合、p型・n型の材料を組み合わせることなく、単一の材料による熱電変換が可能になる。さらに、温度差と発電方向が異なるため、熱流出による外部回路の破損を防ぐことができる。しかしながら、このような性質を示す材料は極めて限られており、特に大型化・加工の容易な新しい材料の開発が求められていた。
なお、この研究開発は、（独）日本学術振興会の科学研究費補助金（若手研究）および（独）科学技術振興機構JST-CRESTの助成を受けて行われた。
研究の内容
今回、我々はナトリウム（Na）、スズ（Sn）、ヒ素（As）を成分とした層状化合物NaSn2As2（図１（左））に一軸加圧焼結(4)を行うことで、配向性多結晶を作製し、キャリア極性（p型・n型）が測定方向により異なることを発見した。
図１（右）に示すように、X線回折測定では、加圧に対して平行面においては（110）ピーク強度が大きく、また垂直面においては（003）、（006）などのピーク強度が大きく、配向性を持つ多結晶が作製されたことを示す。
図２に配向性多結晶NaSn2As2のゼーベック係数(5)の温度依存性を示す。加圧に対して平行方向ではゼーベック係数の符号が正であり、正孔が主キャリアであることを示す。反対に、加圧に対して垂直方向には符号が負であり、電子が主キャリアであることがわかった。
【用語解説】
（1）廃熱を用いた発電
現在までにも、ボイジャーなどの宇宙探査機において用いられている。
（2）小型軽量な精密機器冷却
ペルチェ素子は精密機器冷却やワインセラーに用いられている。
（3）キャリア極性
半導体材料は主キャリアが正孔（p型）か電子（n型）かによって2種類に分類される。
（4）一軸加圧焼結
試料を全方向から等しく加圧するのではなく、上下2方向から加圧し、焼結する方法。
（5）ゼーベック係数
温度差あたりに生じる起電力の大きさを示す。符号が正の場合は正孔が、負の場合は電子が主キャリアであることを示す。
【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202104143662-O3-131X2FF7】
【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202104143662-O1-Ln61xIg7】
今後の展開
キャリア極性に方向依存性を示す配向性多結晶NaSn2As2が開発されたことで、構成材料がひとつのみからなる新しい熱電モジュールの開発が期待される。特に、大型化、加工が容易な多結晶であることから、具体的な熱電モジュール構築が検討可能になる。今後、材料の選択肢が飛躍的に広がり、さらなる高性能材料の開発が期待される。
