(57)【要約】  本発明は、１．０を超える性能指数ＺＴの化学式ＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）の熱電組成物の調製方法およびその方法により製造された組成物に関する。本方法は、ａ）インジウムと、コバルトとアンチモンとの粉末を混合して、０．００６〜０．０３０原子パーセントのインジウム、０．２４２〜０．２４８原子パーセントのコバルトおよび０．７２７〜０．７４５原子パーセントのアンチモンの粉末の混合物を形成する工程と、ｂ）前記粉末の混合物を含有する炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、ｃ）炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から５９０℃〜６２０℃まで加熱し、炉を５９０℃〜６２０℃で１０〜１４時間保持する工程と、ｄ）炉を約１〜５Ｃ／分で、６６５℃〜６８５℃に更に加熱し、炉を６６５℃〜６８５℃で３０〜４０時間保持して第１の固体を形成する工程と、ｅ）第１の固体を粉砕して第２の粉末を形成する工程と、ｆ）第２の粉末を第２の固体へプレスする工程と、ｇ）第２の固体を含有する炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、ｈ）炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から６６５℃〜６８５℃まで加熱し、炉を６６５℃〜６８５℃で１〜８時間保持する工程とを含んでなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）インジウムと、コバルトとアンチモンとの粉末を混合して、０．００６〜０．０３０原子パーセントのインジウム、０．２４２〜０．２４８原子パーセントのコバルトおよび０．７２７〜０．７４５原子パーセントのアンチモンの粉末の混合物を形成する工程と、
ｂ）前記粉末の混合物を含有する炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、
ｃ）前記炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から５９０℃〜６２０℃まで加熱し、前記炉を５９０℃〜６２０℃で１０〜１４時間保持する工程と、
ｄ）前記炉を約１〜５Ｃ／分で、６６５℃〜６８５℃に更に加熱し、前記炉を６６５℃〜６８５℃で３０〜４０時間保持して第１の固体を形成する工程と、
ｅ）前記第１の固体を粉砕して第２の粉末を形成する工程と、
ｆ）前記第２の粉末を第２の固体へプレスする工程と、
ｇ）前記第２の固体を含有する前記炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、
ｈ）前記炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から６６５℃〜６８５℃まで加熱し、前記炉を６６５℃〜６８５℃で１〜８時間保持する工程と
を含んでなる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法により製造されたＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）を含んでなる組成物。
【請求項３】
０．７を超える性能指数ＺＴのＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）を含んでなる組成物。
【請求項４】
請求項２または３に記載の組成物から製造された成分を含んでなる熱電冷却装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の組成物から製造された成分を含んでなる熱電発電装置。
【請求項６】
請求項２または３に記載の組成物から製造された成分を含んでなる熱電加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、０．２を超える性能指数（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）の化学式ＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）の熱電組成物の調製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電材料は、冷却装置、加熱装置および発電装置のような品目の製造に用いられている。これらの熱電材料は、大きなゼーベック係数を有していて、後述するように、高導電率だが低熱伝導率を有しているのが望ましい。熱電変換材料の性能は、「性能指数（ＺＴ）」で表される。現在最良の熱電材料のＺＴは約１．０である。
【０００３】
アカイら、（非特許文献１）には、固相反応の後ホットプレスにより製造されるインジウムドープコバルトアンチモニドについて記載されている。
【０００４】
これに対し、本発明の方法は、１〜１５％の水素および８５〜９９％のアルゴン混合粉末を焼成し炉を冷却するものである。か焼した粉末を再粉砕して、ディスクへとプレスし、６７５℃で４時間同じ水素／アルゴン混合物中で焼成する。この手順の結果、１．０を超えるＺＴの材料が得られる。
【０００５】
【非特許文献１】第１７回熱電国際会議議事録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）１９９８年、１０５〜１０８
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、
ａ）インジウムと、コバルトとアンチモンとの粉末を混合して、０．００６〜０．０３０原子パーセントのインジウム、０．２４２〜０．２４８原子パーセントのコバルトおよび０．７２７〜０．７４５原子パーセントのアンチモンの粉末の混合物を形成する工程と、
ｂ）前記粉末の混合物を含有する炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、
ｃ）炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から５９０℃〜６２０℃まで加熱し、炉を５９０℃〜６２０℃で１０〜１４時間保持する工程と、
ｄ）炉を約１〜５Ｃ／分で、６６５℃〜６８５℃に更に加熱し、炉を６６５℃〜６８５℃で３０〜４０時間保持して第１の固体を形成する工程と、
ｅ）第１の固体を粉砕して第２の粉末を形成する工程と、
ｆ）第２の粉末を第２の固体へプレスする工程と、
ｇ）第２の固体を含有する炉を通して１〜１５原子パーセントの水素および８５〜９９原子パーセントのアルゴンを含んでなるガス組成物を流す工程と、
ｈ）炉を約１〜５Ｃ／分で、室温から６６５℃〜６８５℃まで加熱し、炉を６６５℃〜６８５℃で１〜８時間保持する工程とを含んでなる方法である。
【０００７】
本発明はまた、上述した方法により製造された組成物でもある。
【０００８】
本発明は更に、０．７を超える性能指数ＺＴの組成物である。
【０００９】
本発明は、更に、上述した組成物を含んでなる冷却装置、加熱装置または発電装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、化学式ＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）の金属間熱電組成物の調製方法を提供する。これらの化合物は、３００Ｋ〜６００Ｋの温度範囲で、ＣｏＳｂ３より低電気抵抗、低熱伝導率および高ゼーベック係数を有している。この結果、６００Ｋで性能指数が０．２（ｘ＝０）から１．２（ｘ＝０．２）に改善される。
【００１１】
熱電は、熱電変換装置、すなわち、ゼーベック効果による電力およびペルチェ効果による冷却の生成に関連する科学技術である。熱電変換材料の性能は、式ＺＴ＝σＳ２Ｔ／κ（式中、σ、Ｓ、κおよびＴは、それぞれ導電率、ゼーベック係数、熱伝導率および絶対温度である）で表されるＺＴ（性能指数）で評価される。大きなゼーベック係数、高導電率であるが低熱伝導率である材料が必要とされる。
【００１２】
Ｂｉ２Ｔｅ３の合金のような現在最良の熱電材料のＺＴは１に近い。それは、コンプレッサベースの冷却装置に比べると、約１０％という乏しいカルノー効率で操作される。ガラスのように熱の伝導は乏しいが、ケイ素のように電子（または正孔）を比較的良好に伝導する半導体構造において、熱伝導率を減少することによって熱電効率を大幅に改善することができる。熱導電率の減少は、原子の１つもしくはそれ以上が、サイズの大きな「原子ケージ」に弱く結合した３元系または４元系半導体を作成することによって行うことができる。ケージ原子の「ガタツキ」が、熱伝達フォノンを効率的に散乱し、熱伝導率に寄与する格子を大幅に減じ、同時に、骨格原子が良好な導電性を維持する。かかる構造としては、発電用途について最も見込みのある新規な熱電材料の一つして現れたスクッテルダイトが一例として挙げられる。
【００１３】
本発明の組成物は、以下の手順により合成することができる。Ｃｏ、ＳｂおよびＩｎの高純度粉末を化学量論比で完全に混合する。出発材料の混合した粉末を、アルミニウムるつぼに入れ、これをアルミナボートに入れる。純粋Ｓｂ材料を含有する他のるつぼもまたボートに入れてＳｂの蒸発を補う。Ｓｂ含有るつぼをガス入口に向かうようにして、ボートを石英反応器に挿入する。粉末を約６１０℃で１２時間、５％Ｈ２と９５％Ａｒのガス混合物下で６７５℃で３６時間か焼する。か焼粉末を再粉砕し、直径１２．８ｍｍ／厚さ１〜２ｍｍのディスクにプレスする。ディスクを同じガス混合物下で６７５℃で４時間焼結する。か焼および焼結工程の両方において、室温からか焼または焼結温度までの加熱速度は約２４０℃／時である。所望の反応時間後、試料を室温まで炉で冷却する。粉末Ｘ線回折データによれば、本発明のＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）相は全て、立方Ｉｍ−３構造で結晶化されるということが示された。
【００１４】
電気抵抗は、以下の製造手順に従って、カリフォルニア州マウンテンビューのＭＭＲテクノロジーズ（ＭＭＲ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｏｆ  Ｍｏｕｎｔａｉｎｖｉｅｗ，ＣＡ）より市販されているファンデアポウ（Ｖａｎ  Ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）技術により３００Ｋ〜６００Ｋで測定する。銀塗料を用いて鉛をペレットに取り付けた。同じ温度範囲でゼーベック係数を測定する。ペレットを銀電極間に配置して、互いに電気的に分離する。１つの電極を抵抗発熱体により加熱して、各温度設定点で５〜１０度ケルビン変化する熱勾配を試料に発現させる。試験アセンブリをＡｒ下で温度制御されたオーブンに配置する。オハイオ州クリーブランドのケスレーインスツルメンツ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，ＯＨ）製ケスレー（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）１８１ナノボルトメーターで、生じた電圧を測定する。測定されたゼーベック係数はｎ−型伝導を示す負である。１ｍｍまたは２ｍｍ金スパッタグラファイトコートパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）ガラスの参照材料により、ネッチュレーザーマイクロフラッシュ（Ｎｅｔｚｓｃｈ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｉｃｒｏｆｌａｓｈ）で熱伝導率を求めた。この計器は、マサチューセッツ州バーリントンのネッチュインスツルメンツ社（Ｎｅｔｚｓｃｈ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．，Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ，ＭＡ）製である。
【００１５】
ｎ−型ＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２（０＜ｘ＜１）のような熱電材料を用いると、ＣｅＦｅ３ＣｏＳｂ１２またはＬａＦｅ３ＣｏＳｂ１２のようなｐ−型熱電材料と組み合わせて熱電冷却装置、加熱装置または発電装置を製造することができる。熱電冷却装置において、熱電材料は、一般的に、セラミックスのような材料の２枚のプレート間に装着される。１枚のプレートは冷却される領域に位置している。もう一方のプレートは、熱を拒絶する場所に位置している。適切な極性の電流が、熱電材料を通過して、所望の位置を冷却する。電流の極性を逆にすると、前に冷却されたプレートが加熱され、熱を拒絶するプレートが冷却される。発電装置のような熱電装置を用いるために、熱電材料を２枚のプレート間に再び装着する。１枚のプレートは高温源に露出し、第２のプレートは低温に維持する。電力は、温度勾配のある熱電材料の側部を通した電気接触から得られる。
【実施例】
【００１６】
実施例１〜７
実施例１〜７のＩｎｘＣｏ４Ｓｂ１２の組成物を以下の手順を用いて作成した。各実施例について、適切な量の出発金属Ｉｎ、ＣｏおよびＳｂを化学量論比に従って秤量し、めのう乳ばちで完全に混合した。出発材料の２グラムの試料サイズについてのグラム量を表１に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
各実施例において、混合した粉末を約６１０℃で１２時間、５％Ｈ２と９５％Ａｒのガス混合物下で６７５℃で３６時間か焼し、炉を室温まで冷却した。か焼した粉末を再粉砕し、直径１２．８ｍｍ／厚さ１〜２ｍｍのディスクにプレスした。ディスクを同じガス混合物下で６７５℃で４時間焼結し、熱伝導率測定に用いた。約１．５×１．５×７ｍｍ３のサイズのバーを低効率およびゼーベック係数測定のために切断した。
【００１９】
Ｘ線粉末回折パターンを記録したところ、データによれば全ての試料が立方Ｉｍ−３構造で結晶化されたことを示した。３００〜６００Ｋの温度範囲で測定されたゼーベック係数、電気抵抗率および熱伝導率を、図１、２および３にそれぞれ示す。計算されたＺＴ値を図４に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】様々なインジウム濃度レベルについて３００〜６００Ｋの温度範囲で測定されたゼーベック係数を示す。
【図２】様々なインジウム濃度レベルについて３００〜６００Ｋの温度範囲で測定された電気抵抗を示す。
【図３】様々なインジウム濃度レベルについて３００〜６００Ｋの温度範囲で測定された熱伝導率を示す。
【図４】様々なインジウム濃度レベルについて３００〜６００Ｋの温度範囲で計算された性能指数を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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