熱電変換材料の性能を高める大振幅原子振動の起源を解明―外部からの圧力で熱電変換性能を高めること可能に：広島大学/九州大学/筑波大学
(2020年9月30日発表)
広島大学と九州大学、筑波大学の共同研究グループは9月30日、熱電変換材料として期待される硫化銅鉱物「テトラへドライト」の低い熱伝導率をもたらす大振幅原子振動の起源を解明し、大振幅原子振動を圧力によって制御できることを実験的に証明したと発表した。熱電変換の高効率化が期待される成果という。
熱電変換材料は熱エネルギーを直接電気に変換できる材料で、身近な排熱などの活用を目指し、高性能な熱電変換材料の探索・開発が進められている。高性能な材料には、熱電能を示すゼーベック係数が大きいこと、電気伝導率が高く、熱伝導率は低いこと、が求められている。
テトラへドライトは、新たな熱電変換材料として注目されている化合物で、銅（Cu）、アンチモン(Sb)、硫黄(S)から成り、鉱物として天然に存在する。結晶構造は立方晶だが、CuS4四面体、CuS3三角形、SbS3三角錐から成る非常に複雑な構造をしている。
このテトラヘドライトでは、三つの硫黄がつくる三角形中の銅原子が大振幅振動（ラットリング）しているため、熱伝導率がガラス並みに低く抑制されていると考えられており、その起源については2つの案が提案されてきた。
起源案の一つは、三角形の硫黄原子が銅原子に及ぼす化学的圧力、もう一つは、銅原子に隣接するアンチモン原子の持つ孤立電子による静電気力。
研究グループは今回、亜鉛を含む高密度のテトラヘドライト焼結体を用い、この2案のどちらが妥当かを検証した。実験の結果、大振幅振動を引き起こすのに必要なエネルギーが、加圧すると低下することが分かった。
このことは、加圧により硫黄原子が銅原子に及ぼす化学的圧力が高まると、より低いエネルギーで大振幅振動が起こることを示しているという。
この結果と、結晶構造の圧力変化とを詳細に調べた結果、大振幅振動の起源としては第1案が妥当であること、また、大振幅振動が外部からの圧力で制御できることが示されたという。
熱電変換材料の高性能化をもたらす大振幅原子振動の起源と制御法が見出されたことから、新材料の探索・設計・開発の進展が期待されるとしている。
