「横型」熱電材料の探索を一気に加速 ー 温度差に垂直な方向に発電する材料の設計指針を確立 ー （片瀬貴義教授）
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出しました。
現在、廃熱を電力として再利用する熱電変換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。
詳細は、Science Tokyoニュースをご覧ください。
掲載誌 : Journal of the American Chemical Society
論文タイトル : Axis-Dependent Conduction Polarity: Design Principles and High-Throughput Discovery of Transverse Thermoelectrics
（和訳：軸依存伝導極性：横型熱電材料に向けた設計指針とハイスループット探索）
著者 : Zan Yang, Xinyi He, Hidetomo Usui, Toshio Kamiya, and Takayoshi Katase1*（ヤン・ザン、ホ・シンイ、臼井秀知、神谷利夫、片瀬貴義*）
DOI: 10.1021/jacs.5c22733
