(57)【要約】  本発明は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むことを特徴とする化合物に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むことを特徴とする化合物。
【請求項２】
キャリア密度が１．０×１０２１ｃｍ−３以下である請求項１に記載の化合物。
【請求項３】
化学式Ｇｅ１＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ ＢｉｂＣｕｃＳｂｄＡｇｅＴｅ（式中、−０．
０５≦ａ≦０．１０、０＜ｂ≦０．１０、０＜ｃ≦０．１０、０＜ｄ≦０．２０、０＜ｅ≦０．２０）で表される請求項１又は２に記載の化合物。
【請求項４】
テルル化ゲルマニウムに由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（ＧｅＴｅ）と、ゲルマニウム金属に由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（Ｇｅ）との強度比Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）が０．０２５以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の化合物。
【請求項５】
化合物中に遍在するビスマス、銅、アンチモン若しくは銀の最長径が２．０μｍ未満である請求項１〜４のいずれか１項に記載の化合物。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の化合物を含む熱電変換材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物及び熱電変換材料に関する。
本願は、２０１６年３月３１日に、日本に出願された特願２０１６−０７３７４５号、及び２０１６年９月９日に、日本に出願された特願２０１６−１７７０４９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した熱電変換デバイスは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。つまり、熱電変換デバイスを用いることで、熱エネルギーから電力を直接得ることができる。熱電変換デバイスを用いることで、例えば自動車のエンジンからの排熱を回収し、その一部を電力に変換することができる。例えば、工場からの排熱を回収し、その一部を電力に変換することができる。
近年、エネルギー資源の消費量及び二酸化炭素の排出量を抑制する観点から、エネルギー効率の向上がますます強く要求されている。そのため熱電変換の性能向上を目指した研究が広く行われている。【０００３】
熱電変換デバイスで得られる熱効率や出力特性は、熱電変換デバイスを構成する熱電変換材料の性能により制限される。そのため、熱電変換材料の性能を向上させる検討が広く行われている。【０００４】
高い温度領域の熱源として自動車の排熱や工場の排熱がある。これらの排熱温度は５００℃付近になるため、室温から５００℃付近で作動する熱電変換材料の検討が盛んに行われている。５００℃付近の温度領域において高い熱電変換性能指数と出力因子を示し、耐熱性がある材料としてテルル化ゲルマニウム系の化合物を含む熱電変換材料がある。【０００５】
ここで、熱電変換材料の熱効率は下記式で表される。熱電変換材料を用いて得られる最大の熱効率ηｏｐｔは下記式（１）で表される。ここで、下記式（１）中、ＴＨは高温端の温度［単位：Ｋ］、ＴＣは低温端の温度［単位：Ｋ］、ＴaveはＴＨとＴＣの平均［単位：Ｋ］、Ｚは温度領域における熱電変換材料の平均の熱電変換性能指数［１／Ｋ］である。【０００６】
【数１】
2017170911.tif 000002
【０００７】
ある温度Ｔにおける熱電変換材料の熱電変換性能指数ｚ［１／Ｋ］は、下記式（２）で表される。ここで、α［Ｖ／Ｋ］、ρ［Ω  ｍ］、κ［Ｗ／（ｍ  Ｋ）］はそれぞれ、ある温度Ｔにおける熱電変換材料のゼーベック係数、抵抗率、熱伝導率である。【０００８】
【数２】
2017170911.tif 000003
【０００９】
熱電変換材料の物性値ｚＴが大きいほど、熱電変換で得られる最大の熱効率ηｏｐｔが高いことを示す。利用する温度領域における熱電変換材料の熱電変換性能指数ｚの平均を熱電変換性能指数Ｚとする。熱効率を高めるためには、広い温度領域で高い熱電変換性能指数ｚが得られることが望まれる。【００１０】
熱電変換材料を用いて得られる温度Ｔにおける最大出力の指標として出力因子（Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒと呼ぶことがある。）［Ｗ／（ｍ  Ｋ２）］が用いられる。Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒは、下記式（３）で表される。ここで、下記式（３）中、α［Ｖ／Ｋ］はある温度Ｔにおける熱電変換材料のゼーベック係数、ρ［Ω  ｍ］は抵抗率である。【００１１】
【数３】
2017170911.tif 000004
【００１２】
上記式（３）で表される熱電変換材料の出力因子が高いほど、熱電変換で得られる最大の出力が大きくなることを示す。【００１３】
５００℃付近の温度領域の熱源として自動車の排熱や工場の排熱があり、室温から５００℃付近で作動する熱電変換材料の検討が盛んに行われている。この温度領域において高い熱電変換性能指数と高い出力因子を示し、耐熱性がある材料としてテルル化ゲルマニウム系の化合物を含む熱電変換材料がある。【００１４】
特許文献１では、ゲルマニウム、テルル、銀及びアンチモンからなる金属粉末を共粉砕・混合した後に、成形し、熱間等方加圧により焼結、あるいは共粉砕・混合し、仮焼した後、成形し、焼結により製造した熱電変換材料について、７００Ｋの熱電変換特性が優れていることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平６−１６９１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
自動車や工場からの排熱を熱回収し、電力として利用するうえで、電力として大きな出力が得られることとエネルギー効率が高いことが求められる。これらを達成するために、熱電変換デバイスを構成する化合物は高い出力因子と高いｚＴを有することが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、５００℃付近の高温領域において、高い出力因子と高いｚＴを有する化合物、前記化合物を含む熱電変換材料、及び前記化合物の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、種々検討した結果、本発明に至った。即ち本発明は、以下の態様を有する。
［１］ 構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むことを特徴とする化合物。
［２］ キャリア密度が１.０×１０２１ｃｍ−３以下である［１］に記載の化合物。
［３］ 化学式Ｇｅ1＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ Ｂｉｂ ＣｕｃＳｂｄＡｇｅＴｅ（式中、−０．０５≦ａ≦０．１０、０＜ｂ≦０．１０、０＜ｃ≦０．１０、０＜ｄ≦０．２０、０＜ｅ≦０．２０）で表される［１］又は［２］に記載の化合物。
［４］ テルル化ゲルマニウムに由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（ＧｅＴｅ）と、ゲルマニウム金属に由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（Ｇｅ）との強度比Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）が０．０２５以下である［１］〜［３］のいずれか１項に記載の化合物。
［５］ 前記化合物中に遍在するビスマス、銅、アンチモン若しくは銀の最長径が２．０μｍ未満である［１］〜［４］のいずれか１項に記載の化合物。
［６］前記化合物中に遍在するビスマス、銅、アンチモン、及び銀の最長径が２．０μｍ未満である［１］〜［４］のいずれか１項に記載の化合物。
［７］前記化合物中のビスマス、銅、アンチモン若しくは銀の結晶の最長径が２．０μｍ未満である［１］〜［４］のいずれか１項に記載の化合物。
［８］前記化合物中のビスマス、銅、アンチモン、及び銀の結晶の最長径が２．０μｍ未満である［１］〜［４］のいずれか１項に記載の化合物。
［９］ ［１］〜［８］のいずれか１項に記載の化合物を含む熱電変換材料。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、５００℃付近の高温領域において、高い出力因子と高いｚＴを有する化合物、前記化合物を含む熱電変換材料、及び化合物の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、熱電変換モジュールを模式的に示す側面図である。
【図２】図２は実施例１の化合物の組成分布の図である。
【図３】図３は実施例２の化合物の組成分布の図である。
【図４】図４は比較例１の化合物の組成分布の図である。
【図５】図５は実施例１〜２と比較例１の化合物の温度に対する各熱電変換物性値である。
【図６】図６は熱電変換モジュールの概略の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は熱電変換モジュールの分解上面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７のVIII−VIII線に沿った断面模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７のVIII−VIII線に沿った断面模式図である。
【図９Ａ】図９Ａは熱電変換デバイスを模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは熱電変換デバイスを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜化合物＞
本発明の化合物は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むことを特徴とする。より好ましくは、テルル化ゲルマニウムに、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀をドープした化合物である。即ち、ビスマス、銅、アンチモン及び銀がテルル化ゲルマニウムに固溶して、テルル化ゲルマニウムの結晶格子、又は原子間に配置された化合物である。
テルル化ゲルマニウムに銀とアンチモンをドープした従来の化合物では、キャリア密度が高くなることが知られていた。熱電変換材料用途に用いる化合物の場合、抵抗率が増大しすぎない範囲でゼーベック係数を高めて、出力特性とｚＴを向上させるため、キャリア密度は低いことが好ましい。
本発明は、銀とアンチモンに加えて、銅とビスマスをテルル化ゲルマニウムにドープしたことにより、キャリア密度の最適化が可能となる。
このため、本発明の化合物を熱電変換材料として含む場合には高い出力因子と高いｚＴを発揮することができる。
【００２１】
［材料物性］
本発明における化合物は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む。
【００２２】
［キャリア密度］
本発明の化合物について、抵抗率が増大しすぎない範囲でゼーベック係数を高めて、出力特性とｚＴを向上させるために、温度１０Ｋにおけるキャリア密度は１.０×１０２１ｃｍ−３以下であることが好ましい。より好ましくは、キャリア密度は１.０×１０１９ｃｍ−３〜１.０×１０２１ｃｍ−３であり、さらに好ましくは５.０×１０１９ｃｍ−３〜７.０×１０２０ｃｍ−３である。本明細書においてキャリアとは、電子と正孔（ホール）のことを示す。キャリア密度とは、化合物中の電子又は正孔（ホール）の単位体積当たりの存在量を示す。
試料のキャリア密度の測定には、例えば物理特性測定装置ＰＰＭＳ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ社製）及び専用のＤＣ抵抗サンプルパックによる５端子ホール測定を用いることができる。ホール測定は、試料の温度を安定させて、試料面に垂直に磁場を印加してホール抵抗を測定することにより行うことができる。磁場に対するホール抵抗の傾きよりホール係数を算出し、さらにホール係数よりキャリア密度が計算される。室温付近でノイズによりホール抵抗にヒステリシスが生ずる場合があるため、低温で測定することが望ましい。
【００２３】
キャリア密度の調整やフォノン拡散長の調整をして熱電変換特性であるｚＴや出力因子を高めるために、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀以外の元素を添加してもよい。前記添加元素は、化合物中にいずれか１種が単独で含まれていても、２種以上が含まれていてもよい。前記添加元素の前記化合物中の含有量としては、それぞれ独立に前記化合物中のテルル１モルに対して、通常、０．２モル以下であり、より好ましくは０．１モル以下である。本発明の別の側面としては、前記添加元素の前記化合物中の含有量としては、それぞれ独立に前記化合物中のテルル１モルに対して、０．００５〜０．２モルであることが好ましく、０．０１〜０．１モルであることがより好ましい。
【００２４】
［化合物の組成］
本発明の化合物は、組成として、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含有していることを特徴とする。
組成の偏析を抑制して、ｚＴや出力因子を高めるために、化学式Ｇｅ１＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ Ｂｉｂ ＣｕｃＳｂｄＡｇｅＴｅにおいて−０．０５≦ａ≦０．１０、０＜ｂ≦０．１０、０＜ｃ≦０．１０、０＜ｄ≦０．２０、０＜ｅ≦０．２０で表される範囲の組成であることが好ましい。より好ましくは０≦ａ≦０．０５、０．０２＜ｂ≦０．１０、０．０２＜ｃ≦０．１０、０．０５＜ｄ≦０．２０、０．０５＜ｅ≦０．２０である。本明細書中において偏析とは、複数の元素からなる金属又は合金の溶融体が凝固する際に、前記金属又は前記合金中に分布している一部の元素が結晶化すること、又はその結晶のことをいう。
【００２５】
［化合物の粉末Ｘ線回折ピークの強度比］
粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（ＧｅＴｅ）とゲルマニウム金属に由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（Ｇｅ）との強度比Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）を計算できる。
本発明において、Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）は０．０２５以下であることが好ましい。より広い温度領域で高いｚＴや高い出力特性を得るためには、Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）は０．０１５未満であることがより好ましく、ゲルマニウム金属に由来するＸＲＤピークが検出されないこと、即ちＩ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）が０であることがさらに好ましい。
【００２６】
［化合物の結晶構造］
化合物の結晶構造は、例えば粉末Ｘ線回折測定装置を用いて得られる粉末Ｘ線回折パターンから解析することができる。テルル化ゲルマニウムは、Ｒ３ｍ空間群のＲｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ構造を有するα−ＧｅＴｅと、Ｆｍ−３ｍ空間群のＣｕｂｉｃ構造を有するγ−ＧｅＴｅの２種類の結晶型を持つことが知られている。本発明の化合物は、Ｒ３ｍ空間群のＲｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ構造を有するα−ＧｅＴｅの結晶構造を有することが好ましい。本発明の化合物は、Ｆｍ−３ｍ空間群のＣｕｂｉｃ構造を有するγ−ＧｅＴｅを含まず、Ｒ３ｍ空間群のＲｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ構造を有するα−ＧｅＴｅの結晶構造のみを有することがさらに好ましい。
【００２７】
［化合物の組成分布］
化合物中の組成の遍在は、例えばエネルギー分散形Ｘ線分光器（以下、ＥＤＸと略すことがある。）を装備した走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略すことがある。）を用いて得られる試料の組成分布図から解析することができる。本明細書において、遍在とは、化合物中における各構成元素の分布のことをいう。
本発明においては、０．２μｍ以上のビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶、及び銀の結晶の組成分布が明確に識別できる条件において解析する。０．２μｍ以上のビスマスの結晶及び銅の結晶の組成分布が明確に識別できる条件とは、後述の実施例に記載の条件が挙げられる。本明細書において「最長径」とは、ＳＥＭ像から算出でき、ＳＥＭ像中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶の個々の任意の２次元断面上の各部の径（長さ）のうち、最も長い径を意味する。
本発明においては、化合物中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶及び／若しくは銀の結晶の最長径が２．０μｍ未満であることが好ましい。より広い温度領域で高いｚＴや高い出力特性を得るためには、より好ましくは熱電変換材料中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶及び／若しくは銀の結晶の最長径が１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以下である。
本発明の別の側面としては、化合物中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶、及び／若しくは銀の結晶の最長径が０．００１μｍ以上２μｍ未満であることが好ましい。より広い温度領域で高いｚＴや高い出力特性を得るためには、より好ましくは熱電変換材料中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶、及び／若しくは銀の結晶の最長径が０．００２μｍ以上１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．００５μｍ以上０．５μｍ以下である。
即ち、前記化合物は、ビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶、若しくは銀の結晶が化合物中に一様に存在し、元素の偏析が小さいことを特徴としている。このため、前記化合物が熱電変換材料に含まれる場合には高い出力因子とｚＴを発揮することができる。
【００２８】
ビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶の最長径は、２．０μｍ未満であればそれぞれ同一の長さであってもよく、異なる長さであってもよい。ビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶の最長径が異なる場合には、最も長い元素の結晶の最長径と最も短い元素の結晶の最長径の差は、０μｍ超１．０μｍ未満が好ましく、０μｍ超０．５μｍ以下がより好ましく、０μｍ超０．２５μｍ以下がさらに好ましい。
【００２９】
［結晶ドメイン］
本発明の化合物は、結晶中に縞状の結晶ドメインを有することが好ましい。結晶ドメインとは、結晶が同一方向に配向している領域のことをいう。結晶ドメインは、例えば、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと略すことがある。）を用いて得られるＴＥＭ像から観察することができる。本発明において、縞状の結晶ドメインが複数観察されることが好ましい。本明細書においては結晶ドメインの幅とは、ＴＥＭ像で縞状に観察される濃部と淡部のそれぞれの幅であり、結晶ドメインの長さとは濃部と淡部のそれぞれの長さである。結晶ドメインの幅は長さよりも短く、幅は０．００５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。長さは０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。本発明の別の側面としては結晶ドメインの長さは０．０５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましい。
【００３０】
＜熱電変換材料＞
本発明の熱電変換材料は、上記本発明の化合物を材料として含むことができる。上記本発明の化合物を主成分とし、少量の他の添加剤が含まれていてもよい。熱電変換材料中の、前記第１実施形態又は第２実施形態の含有量としては、通常５０％〜１００％であり、好ましくは７０％〜１００％であり、より好ましくは８０％〜１００％であり、さらに好ましくは９０％〜１００％である。熱電変換材料中の、前記第１実施形態又は第２実施形態の含有量が上記範囲内であれば、優れた熱電変換特性を発揮する。
【００３１】
本発明の一つの側面は、以下に示す熱電変換材料である。
＜１＞構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む熱電変換材料であって、
２００℃におけるｚＴが０．６０以上であり、
３００℃におけるｚＴが１．００以上であり、
４００℃におけるｚＴが１．２０以上であり
５００℃におけるｚＴが１．４０以上であることを特徴とする熱電変換材料。
＜２＞構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む熱電変換材料であって、
５００℃におけるＰ．Ｆ．（５００℃）と３００℃におけるＰ．Ｆ．（３００℃）との比Ｐ．Ｆ．（５００℃）／Ｐ．Ｆ．（３００℃）が１．０５以下であり、
５００℃におけるｚＴ（５００℃）と３００℃におけるｚＴ（３００℃）との比ｚＴ（５００℃）／ｚＴ（３００℃）が１．４０以下であることを特徴とする熱電変換材料。
ｚＴは、ある温度Ｔにおける熱電変換材料の熱電変換性能指数ｚ［１／Ｋ］と温度Ｔ［Ｋ］との積である。Ｐ．Ｆ．は、Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒの略であり、出力因子［μＷ／（ｃｍ  Ｋ２）］である。
【００３２】
また、本発明の別の側面としては、以下に示す熱電変換方法である。
＜１＞  構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む化合物の一方の端に熱を加えることにより、一方の端を高温側、他方の端を低温側として前記化合物中に温度差を発生させることにより熱電変換を行うことを特徴とする熱電変換方法。
＜２＞前記化合物のキャリア密度が１．０×１０２１ｃｍ−３以下である［１］に記載の熱電変換方法。
【００３３】
本発明の熱電変換材料は、上記本発明の化合物を含む、熱電変換物性を有する材料であり、熱電変換デバイスが備える熱電変換素子を構成する材料である。本明細書において熱電変換素子とは、ゼーベック効果等を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。ゼーベック係数が正の熱電変換素子をｐ型熱電変換素子、ゼーベック係数が負の熱電変換素子をｎ型熱電変換素子という。ここで、熱電変換物性とは、ゼーベック効果、熱磁気効果、又はスピンゼーベック効果等により、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する物性を意味する。
【００３４】
＜熱電変換デバイス＞
熱電変換デバイスは、一般に、ｐ型熱電変換素子、ｎ型熱電変換素子、及び金属電極とを備える。図９Ａに示すように熱電変換デバイスは、ｐ型熱電変換素子１２、ｎ型熱電変換素子１３、及び金属電極１５、１６、及び１７を有している。
図９Ａ及び図９Ｂを用いて、熱電変換デバイスの熱電変換機構について説明する。図９Ａにおいて、熱電変換デバイス２１は、ｐ型熱電変換素子１２、ｎ型熱電変換素子１３、第１金属電極１５、第２金属電極１６、及び第３金属電極１７とを有する。ｐ型熱電変換素子１２は、第１金属電極１５と第３金属電極１７との間に配置することができる。ｎ型熱電変換素子１３は、第１金属電極１５と第２金属電極１６との間に配置することができる。熱源４１は、第１金属電極１５のｐ型熱電変換素子１２、及びｎ型熱電変換素子１３と接合している面と対向する面に配置することができる。放熱板４２は、第２金属電極１６のｎ型熱電変換素子１３と接合している面と対向する面及び第３金属電極１７のｐ型熱電変換素子１２と接合している面と対向する面に配置することができる。熱源４１としては、例えば、自動車の排熱や工場の排熱を使用することができる。
熱源４１により、第１金属電極１５を介してｐ型熱電変換素子１２、及びｎ型熱電変換素子１３の上部に熱が伝わる。他方、第２金属電極１６を介してｎ型熱電変換素子１３の下部の熱が、第３金属電極１７を介してｐ型熱電変換素子１２の下部の熱が、放熱板により放熱される。結果として、ｐ型熱電変換素子１２、及びｎ型熱電変換素子１３の上端部と下端部の間に温度勾配が生じる。
ｐ型熱電変換素子１２中の正電荷を帯びた正孔（ｈ＋）が、温度の高い上端部から、温度の低い下端部へ移動することで熱起電力が発生する。一方、ｎ型熱電変換素子１３中の負電荷を帯びた電子（ｅ−）が、温度の高い上端部から、温度の低い下端部へ移動することで熱起電力が発生する。ｐ型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３の電位差は逆となっているため、両者の上端部を図９Ａのように第１金属電極１５を介して電気的に接続することにより、電極４３と電極４４の間の起電力は、ｐ型熱電変換素子１２の熱起電力とｎ型熱電変換素子１３の熱起電力の和となる。本例の場合は、４３側がマイナス極、４４側がプラス極となる。
図９Ｂを用いて示される熱電変換デバイス２１’は、図９Ａと類似の構成を有するが、外部負荷４５が電極４３’及び電極４４’と接続されている。外部負荷４５の例としては、電気装置の一部が挙げられ、前記電気装置に電流を提供することができる。前記電気装置の例としては、バッテリー、コンデンサー、モーター等が挙げられる。
【００３５】
熱電変換デバイスが備えるｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子は、それぞれ、例えば、ｐ型又はｎ型の電子物性を有する熱電変換材料を所望の形状に機械的に加工することによって得ることができる。
ｐ型又はｎ型の電子物性を有する熱電変換材料として、上述の本発明の熱電変換材料を用いることができる。即ち、熱電変換素子は、本発明の熱電変換材料の加工物を含むことができる。
【００３６】
熱電変換素子は層構造を形成していてもよく、例えば、本発明の熱電変換材料からなる層と、その他の層を有していてもよい。その他の層としては、接合層、及びバリア層が挙げられる。
熱電変換材料からなる層は、本発明の化合物を、熱電変換材料として、所望の形状に機械的に加工することによって得ることができる。
【００３７】
熱電変換素子は、熱電変換素子中の熱電変換材料からなる層と、金属電極との間に接合層を有していてもよい。熱電変換素子が前記接合層を有することにより、前記熱電変換素子と前記金属電極は電気的及び機械的に良好に接合される。その結果、前記熱電変換素子と前記金属電極との接触抵抗を低減させることができる。前記接合層を形成する接合材としては、キャリア密度を高める元素が挙げられ、銀、金、及び白金などが挙げられる。接合層の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．００１〜２０μｍ、さらに好ましくは０．００５〜１０μｍである。
【００３８】
熱電変換素子は、熱電変換素子中の熱電変換材料からなる層と、金属電極の間にバリア層を有していてもよい。前記バリア層を有することで、前記熱電変換素子中の前記熱電変換材料と、前記金属電極との接触による反応を防止することができる。熱電変換素子が、上述の接合層を有する場合、熱電変換素子は、熱電変換素子中の熱電変換材料からなる層と前記接合層との間にバリア層を有していてもよい。熱電変換素子が前記バリア層を有することで、前記熱電変換素子中の前記熱電変換材料と前記接合層との接触による反応を防止することができる。バリア層を形成する材料としては、前記熱電変換材料からなる層、前記接合層、又は前記金属電極に含まれる少なくとも１種の元素の移動を防止する効果のある元素が挙げられる。前記元素としては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、銀、及びタンタルが挙げられる。バリア層の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．５〜１００μｍ、さらに好ましくは０．１〜５０μｍである。
【００３９】
熱電変換素子は、熱電変換材料と、熱電変換素子がおかれた環境中の気体との反応を防止し、又は熱電変換材料から発生しうる物質の拡散を防止するために、熱電変換材料からなる層における、気体と接触しうる面上に保護膜を有していてもよい。保護膜の材料としては、ケイ素を含む化合物が挙げられる。保護膜の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．５〜１００μｍ、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
【００４０】
熱電変換モジュールは、複数の前記熱電変換デバイスをユニット化したものである。即ち、熱電変換モジュールは、複数の前記熱電変換デバイスを有する。
本発明の１つの側面は、以下に示す熱電変換モジュールである。
複数のｐ型熱電変換素子と、
複数のｎ型熱電変換素子と、
複数の金属電極と、を有し
前記複数のｐ型熱電変換素子、及び前記複数のｎ型熱電変換素子が、前記複数の金属電極を介して互いに交互、かつ電気的に直列に接続されるとともに、
前記複数のｐ型熱電変換素子、及び前記複数のｎ型熱電変換素子が、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むことを特徴とする熱電変換モジュール。
【００４１】
図１、図６〜８を用いて、熱電変換モジュールの一例を説明する。
図６の熱電変換モジュールの概略の構成を示す斜視図に表した通り、熱電変換モジュール中、複数の熱電変換素子１１が格子状に配置されている。熱電変換モジュールの上部と下部には、熱電変換モジュール２０を補強するための絶縁板１８が設置されている。
図７の熱電変換モジュールの分解上面図に示す通り、熱電変換モジュール２０中、ｐ型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３とが互いに交互に２次元並列されている。全てのｐ型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３は、リード線３１からリード線３２まで２点鎖線で示したように電気的に直列に接続される。熱電変換モジュールを模式的に示す側面図である図１、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である図８Ａ及び図８Ｂに示すように、熱電変換モジュール２０中、全てのｐ型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３は、金属電極１４を介して電気的に直列に接続されている。図７中の前記２点鎖線で示した接続は一例であり、接続の仕方に特に制限はないが、全てのｐ型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３とが、互いに交互かつ直列に金属電極を介して接続されていることが好ましい。電気的に直列に接続された複数の前記ｐ型熱電変換素子１２、及び前記ｎ型熱電変換素子１３の内、接続の両端部に位置するｐ型熱電変換素子、及びｎ型熱電変換素子の端部に接合されている金属電極にリード線３１及び３２を接続することにより、外部に出力することができる。
前記リード線としては、従来公知のリード線を使用することができる。
本発明の一つの側面は、図８Ａに示したｐ型熱電変換素子１２と、ｎ型熱電変換素子１３との間に絶縁体１９を有する熱電変換モジュールである。絶縁体１９を有することにより、ｐ型熱電変換素子１２及びｎ型熱電変換素子１３の強度を補強し、耐久性を向上させることができる。絶縁体１９は、前記補強の観点から、ｐ型熱電変換素子１２及びｎ型熱電変換素子１３の側面全てを覆っていることが好ましい。
本発明の一つの側面は、図８Ｂに示したｐ型熱電変換素子１２と、ｎ型熱電変換素子１３との間に絶縁体１９を有しない熱電変換モジュールである。絶縁体１９を有しないことにより、ｐ型熱電変換素子１２及びｎ型熱電変換素子１３から外部への熱の損失が抑制され、結果として高い熱起電力を得ることができる。  前記絶縁板及び前記絶縁体としては、アルミナや窒化アルミ等のセラミック板が例として挙げられる。
上述した通り、熱電変換モジュール中のｐ型熱電変換素子、及びｎ型熱電変換素子は、電気的に直列に接続されているため、熱電変換モジュールの出力は、熱電変換素子の出力に、熱電変換素子の使用数を乗じたものとほぼ等しい値となる。即ち、熱電変換モジュールの出力を高めるためには、熱電変換素子の出力を高める、又は熱電変換素子の使用数を増やすことが有効である。
上述した通り、ｐ型熱電変換素子と、ｎ型熱電変換素子は交互に接続されるため、熱電変換モジュール中のｐ型熱電変換素子の数（Ｐ）とｎ型熱電変換素子の数（Ｎ）との関係は、通常、Ｐ＝Ｎ＋１、Ｐ＝Ｎ、又はＮ＝Ｐ＋１となる（式中、Ｎ及びＰは１以上の整数である）。
熱電変換モジュール中のｐ型熱電変換素子の数とｎ型熱電変換素子の数の和は、熱電変換モジュールの大きさ、求める起電力等の条件によって適宜変更することができる。本発明の一つの側面としては、熱電変換モジュール中のｐ型熱電変換素子の数とｎ型熱電変換素子の数の和は、５０〜１０００個であることが好ましく、５０〜５００個であることがより好ましく、５０〜２５０個であることがより好ましい。
【００４２】
本発明の化合物及び熱電変換材料は、従来型のゼーベック効果を用いた熱電変換デバイスに加えて、ネルンスト効果、リーギ＝ルデュック効果及びマギー＝リーギ＝ルデュック効果などの熱磁気効果を用いた熱電変換デバイス、又は、スピンポンピング効果及び逆スピンホール効果などによるスピンゼーベック効果を用いた熱電変換デバイスに採用することもできる。
【００４３】
［熱電変換材料の熱電変換物性］
熱電変換材料の熱電変換特性を示す指標として、熱効率の指標となるｚＴと、出力の指標となる出力因子（Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒ）が用いられる。温度Ｔにおける熱電変換物性であるゼーベック係数α［Ｖ／Ｋ］、抵抗率ρ［Ω  ｍ］、熱伝導率κ［Ｗ／（ｍＫ）］を用いて、ｚＴを前記の式（２）より、出力因子を前記の式（３）より計算できる。
【００４４】
本発明によれば、キャリア密度が低い熱電変換材料を提供することができる。これは、テルル化ゲルマニウムに銀とアンチモンをドープする場合に上昇するキャリア密度を、銅とビスマスをさらにドープすることで下げることができ、キャリア密度を最適化できるためと推察される。
本発明の熱電変換材料はキャリア密度が低いため、高いｚＴを有する熱電変換材料を提供できる。また、高い出力因子を有する熱電変換材料を提供できる。そのため本発明の熱電変換材料を用いることで、高い熱効率及び高い出力特性を有する熱電変換モジュールを作製することが可能となる。
特に本発明の熱電変換材料では、特定の温度領域のみならず、室温から５００℃の領域で出力因子及びｚＴを高められる。そのため、本発明の熱電変換材料を用いることで、室温付近の低温度からでも比較的高い出力及び高効率の熱電変換が可能となる。装置の運転状況に伴う排熱の温度変動があるときでも、比較的高い出力及び高効率の熱電変換が可能となる。
【００４５】
＜化合物の製造方法＞
以下、本発明の化合物の製造方法は特に限定されない。本発明の化合物の製造方法の好ましい実施形態について説明する。
本発明の一つの側面は、以下に示す化合物の製造方法である。
＜１＞構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む化合物の製造方法であり、
少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む原料を混合し、７２０℃以上で加熱し溶融させる工程と、
溶融体を５０℃未満の液体に浸漬させて急冷する工程と、
を含む化合物の製造方法。
＜２＞構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む化合物の製造方法であり、
少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む材料を粉末化する工程と、
前記粉末を圧縮加圧しながら、前記粉末にパルス状の電流を通電させることにより、前記粉末間で放電させて加熱をするプラズマ焼結法により粉末化した材料を４００℃以上で焼結する工程と、
を含む化合物の製造方法。
＜３＞構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む化合物の製造方法であり、
少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン、及び銀を含む原料を混合し、７２０℃以上で加熱し溶融させる工程と、
溶融体を５０℃未満の液体に浸漬させて急冷してインゴットを得る工程と、
前記インゴットを粉末化する工程と、
前記粉末を圧縮加圧しながら、前記粉末にパルス状の電流を通電させることにより、前記粉末間で放電させて加熱をするプラズマ焼結法により粉末化した材料を４００℃以上で焼結する工程と、
を含む化合物の製造方法。
【００４６】
≪第１実施形態≫
化合物の製造方法の第１実施形態は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物の製造方法であり、少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む原料を混合し、７２０℃以上で加熱し溶融させる工程（以下、「溶融工程」と記載する。）と、溶融体を５０℃未満の液体に浸漬させて急冷する工程（以下、「急冷工程」と記載する。）と、を含む。
【００４７】
［溶融工程］
溶融工程は、少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む原料を混合し、７２０℃以上で加熱し溶融させる工程である。
本実施形態における加熱時の最高温度は７２０℃以上である。原料を溶融させて均一性を高めるためには、ゲルマニウムの融点よりも高い９４０℃以上で加熱することが好ましく、銅の融点よりも高い１０９０℃以上で加熱することがより好ましい。
本発明の別の側面としては、本実施形態における加熱時の最高温度は７２０℃〜１５００℃であることが好ましく、原料を溶融させて均一性を高めるためには、９４０℃〜１５００℃で加熱することがより好ましく、１０９０℃〜１５００℃で加熱することがさらに好ましい。
本実施形態における加熱時の昇温速度は０．５〜１０００℃／分であることが好ましく、１〜２００℃／分であることがさらに好ましい。
また、加熱は０．１〜１００時間行うことが好ましく、０．５〜２０時間行うことがさらに好ましい。
溶融方法は特に限定されず、種々の方法を用いることができる。
溶融方法としては、例えば、抵抗発熱体による加熱、高周波誘導分解、アーク溶解、電子ビーム溶解などが挙げられる。
るつぼとしては、グラファイト、アルミナ、コールドクルーシブルなどが、加熱方法に対応して適宜用いられる。
上記の原料や後述のインゴットが空気や液体と触れて変質することを防止するために、原料やインゴットはアルゴン、窒素、真空などの不活性雰囲気で加熱され、後の急冷工程において急冷される。原料を予め不活性雰囲気のアンプル管に詰めて、加熱し、冷却してもよい。
【００４８】
［急冷工程］
急冷工程は、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む原料の混合物をテルル化ゲルマニウムの融点である７２０℃以上の温度で溶融させた前記溶融工程の後に、溶融体を５０℃未満の液体に浸漬させて急冷し、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むインゴットを得る工程である。
本実施形態における急冷工程では、前記溶融体の融点以上の温度から急激に１００℃以下の温度に下げることが望ましく、１００℃以下まで１０分間以内で冷却されることが好ましい。より好ましくは５分間以内であり、さらに好ましくは１分間以内である。
上記の液体としては、水、氷水、水を主成分とする溶液、液体窒素、液体空気などの１００℃以下で液体となるものを用いることができる。安価で安全性が高いことから、水、氷水、水を主成分とする溶液及びこれらの混合物が好ましい。
【００４９】
本実施形態は、上記の急冷工程を有する。前記急冷工程を有することにより、過飽和状態でビスマス、銅、アンチモン、及び銀をテルル化ゲルマニウムにドープすることができると考えられる。このため、本実施形態によれば、化合物中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶の最長径が２．０μｍ未満という小さい元素偏析を達成できると推察される。
これに対し、従来の空冷方法では、テルル化ゲルマニウムの母材にビスマス、銅、アンチモン、若しくは銀が溶解せず、飽和組成を超えたビスマス、銅、アンチモン、若しくは銀が析出してしまうと推察される。ビスマス、銅、アンチモン、若しくは銀が析出すると、ビスマスの結晶、銅の結晶の、アンチモンの結晶、若しくは銀の結晶の最長径が２．０μｍ以上となる。
【００５０】
≪第２実施形態≫
化合物の製造方法の第２実施形態は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物の製造方法であり、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む材料を粉末化する工程（以下、「粉末化工程」と記載する。）と、プラズマ焼結法により４００℃以上で焼結する工程（以下、「プラズマ焼結工程」と記載する）と、を含む。
【００５１】
［粉末化工程］
粉末化工程は、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む材料を粉末化する工程である。
粉末化工程では、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含むインゴットを製造し、前記インゴットをボールミル等で粉砕して粉末化する。インゴットの製造方法としては前記溶融工程、急冷工程を採用することができる。粉末化した微粒子の粒径は特に限定されないが、１５０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の別の側面としては粉末化した前記微粒子の粒径は０．１μｍ〜１５０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜１００μｍであることがさらに好ましい。
【００５２】
［プラズマ焼結工程］
プラズマ焼結工程は、プラズマ焼結法により４００℃以上で焼結する工程である。本実施形態における放電プラズマ焼結工程とは、前記粉末化工程で得られたゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物を粉砕して得られた粉末を圧縮加圧しながら、粉末にパルス状の電流を通電させることにより、粉末間で放電させ、試料を加熱、焼結させて化合物を得る工程である。
【００５３】
放電プラズマ焼結工程では通電を止めると加熱が止まり試料は急激に冷却される。組成の偏在を防止して、化合物の熱電変換特性を高めるために、所定の温度で加熱した後に、放電を止めて、冷却することが好ましい。
ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む前記化合物が空気と触れて変質することを防止するために、放電プラズマ焼結工程は、アルゴン、窒素、真空などの不活性雰囲気で行うことが好ましい。
【００５４】
放電プラズマ焼結工程における加圧は、０〜１００ＭＰａの範囲で実施する。高い密度の化合物を得るために１０ＭＰａ以上とすることが好ましく、３０ＭＰａ以上とすることがより好ましい。即ち、高い密度の化合物を得るためには、放電プラズマ焼結工程における加圧は１０ＭＰａ〜１００ＭＰａとすることが好ましく、３０ＭＰａ〜１００ＭＰａとすることがより好ましい。
放電プラズマ焼結工程の加熱温度は、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む前記化合物の溶融が始まる温度よりも十分に低いことが好ましく、６５０℃以下であることが好ましい。さらには６００℃以下であることが好ましい。一方、焼結を促進するためには比較的高い温度で加熱することが好ましく、４００℃以上であることが好ましい。さらに好ましくは５００℃以上である。即ち、放電プラズマ焼結工程の加熱温度は４００℃〜６５０℃であることが好ましく、さらに好ましくは５００℃〜６００℃である。
放電プラズマ焼結工程の加熱は０．０１〜２５時間行うことが好ましく、０．０５〜１０時間行うことがさらに好ましい。
【００５５】
本実施形態は、上記の放電プラズマ焼結工程を有する。放電プラズマ焼結工程により、試料が急激に冷却されるため、過飽和状態でビスマス、銅、アンチモン、又は銀をテルル化ゲルマニウムにドープすることができると考えられる。このため、本発明の化合物の第２実施形態によれば、化合物中に遍在するビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶の最長径が２．０μｍ未満という小さい元素偏析を達成できると推察される。
【００５６】
≪第３実施形態≫
化合物の製造方法の第３実施形態は、構成する元素として少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物の製造方法であり、少なくともゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む原料を混合し、７２０℃以上で加熱し溶融させる工程と、溶融体を５０℃未満の液体に浸漬させて急冷してインゴットを得る工程と、前記インゴットを粉末化する工程と、プラズマ焼結法により４００℃以上で焼結する工程と、を含む。
【００５７】
本実施形態における、溶融工程、急冷工程、粉末化工程、及びプラズマ焼結工程に関する説明は、前記第１実施形態における溶融工程、急冷工程、及び前記第２実施形態における粉末化工程、及びプラズマ焼結工程における説明と同様である。
本実施形態は、急冷工程と、プラズマ焼結工程とを併用しているため、ビスマスの結晶、銅の結晶、アンチモンの結晶若しくは銀の結晶が析出することなく充分に溶解できると考えられる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明を実施例により更に詳しく説明する。尚、化合物の特性及び構造の解析は以下に示す方法を用いた。【００５９】
１．ゼーベック係数
ゼーベック係数α［Ｖ／Ｋ］、抵抗率ρ［Ω  ｍ］の測定には、熱電変換特性評価装置ＺＥＭ−３（アルバック理工株式会社製）を用いた。測定に用いる試料は、ダイヤモンドカッターを用いて切り出した。試料の典型的な形状は、高さ６．３ｍｍ、幅４ｍｍ、奥行き１．７ｍｍとした。温度測定及び電圧測定に用いるＲ型熱電変換対を高さ方向に２．７ｍｍの間隔で接触させて試料を固定した。ヘリウムガス雰囲気（０．０１ＭＰａ）中で、試料を所定の温度に加熱した。さらに試料の片端を加熱することで試料の高さ方向に温度差をつけた。このときのＲ型熱電変換対間の温度差（ΔＴ）と電圧差（ΔＶ）とを測定した。温度差（ΔＴ）は１〜１０℃の範囲となるようにした。３点の異なる温度差（ΔＴ）を与えたときの電圧差（ΔＶ）を測定した。温度差（ΔＴ）に対する電圧差（ΔＶ）の傾きからゼーベック係数αの値を算出した。【００６０】
２．抵抗率
熱電変換特性評価装置ＺＥＭ−３（アルバック理工株式会社製）によるゼーベック係数の測定において、抵抗率を直流四端子法にて測定した。【００６１】
３．出力因子
出力因子［Ｗ／（ｍ  Ｋ２）］は、測定されたゼーベック係数α［Ｖ／Ｋ］、抵抗率ρ［Ω  ｍ］とを用いて前記の式（３）により算出した。【００６２】
４．熱伝導率
熱伝導率κ［Ｗ／（ｍ  Ｋ）］は、熱拡散率λ［ｍ２／ｓ］、熱容量Ｃｐ［Ｊ／ｇ］、密度ｄ［ｇ／ｍ３］から下記式（４）より算出した。
【数４】
2017170911.tif 000005
【００６３】
熱拡散率λ、熱容量Ｃｐ及び密度ｄの測定は、同じ試料を用いて行った。測定に用いる試料は、ダイヤモンドカッターを用いて切り出した。試料の典型的な形状は、４ｍｍ×４ｍｍ×０．５ｍｍとした。【００６４】
５．熱拡散率
熱拡散率λの測定には、レーザーフラッシュアナライザーＬＦＡ４５７ＭｉｃｒｏＦｌａｓｈ（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用いた。測定時には試料の表面はカーボンスプレーＧｒａｐｈｉｔｅ３３（ＣＲＣ  ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ｅｕｒｏｐｅ社製）にて黒色にコーティングした。【００６５】
６．熱容量
熱容量Ｃｐの測定には、ＥＸＳＴＡＲ  ＤＳＣ  ７０２０（ＳＩＩナノテクノロジー社製）を用いた。【００６６】
７．密度
密度ｄの測定には、２０℃で水を液体としたアルキメデス法により、密度測定キット（メトラー・トレド社製）を用いた。【００６７】
８．熱電変換性能指数ｚ
熱電変換性能指数ｚ［１／Ｋ］は、ｚＴとして絶対温度Ｔにおけるゼーベック係数α［Ｖ／Ｋ］、抵抗率ρ［Ωｍ］、熱伝導率κ［Ｗ／（ｍ  Ｋ）］より前記式（２）を用いて算出した。【００６８】
９．結晶構造解析 
結晶構造の解析として、粉末Ｘ線回折測定装置ＲＩＮＴ  ＴＴＲ−ＩＩＩ（株式会社リガク製）を用いて、下記の条件で粉末Ｘ線回折測定し、粉末Ｘ線回折パターンを得た。粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（ＧｅＴｅ）とゲルマニウム金属に由来するＸＲＤピークの最大強度Ｉ（Ｇｅ）との強度比Ｉ（Ｇｅ）／Ｉ（ＧｅＴｅ）を計算した。
測定装置： 粉末Ｘ線回折測定装置ＲＩＮＴ  ＴＴＲ−ＩＩＩ（株式会社リガク製）
Ｘ線発生器：      ＣｕＫα線源  電圧３０ｋＶ、電流４００ｍＡ
スリット： 可変スリット（集中法）スリット幅２ｍｍ
Ｘ線検出器：      シンチレーションカウンタ
測定範囲： 回折角２θ＝１０°〜９０°
試料準備： 乳鉢粉砕による粉末化
試料台  ： 専用のガラス基板  深さ０．２ｍｍ【００６９】
１０．組成分布の解析
化合物の組成分布の解析として、エネルギー分散形Ｘ線分光器  Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ  ＸＦｌａｓｈＤｅｔｅｃｔｏｒ  ５０３０（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）を装備した走査型電子顕微鏡  ＪＥＯＬ  ＩＳＭ−６７０１Ｆ（ＪＥＯＬ社製）を用いて下記の条件で、組成分布を得た。試料の表面は予め鏡面上になるまで研磨し、ラッピングフィルムシート１μｍ（３Ｍ社製）による湿式研磨で仕上げた。
ＳＥＭ：   ＪＥＯＬ  ＩＳＭ６７０１Ｆ（ＪＥＯＬ社製）
加速電圧１５ｋＶ、電流２０μＡ
ＥＤＸ：   ＸＦｌａｓｈ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ５０３０（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）
解析ソフト：  ＱＵＡＮＴＡＸ２００（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製）【００７０】
１１．結晶ドメインの解析
結晶ドメインの解析は、１ｎｍ径の電子プローブを備えた透過型電子顕微鏡  ＪＥＯＬ  ＪＥＭ２８００（ＪＥＯＬ社製）を用いて行い、加速電圧２００ｋＶにて、ＳＴＥＭモードで、Ｒ３ｍ構造のａｂ面に相当する面のＴＥＭ像を得た。試料は予め適切に薄片化し、イオンミリング  ＧａｔａｎＰＩＰＳ（Ｇａｔａｎ社製）を用いて、室温にて加速電圧２ｋＶのＡｒイオンビームで仕上げた。【００７１】
１２．キャリア密度 
キャリア密度ｐ［ｃｍ−３］の測定には、物理特性測定装置ＰＰＭＳ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｅｓｉｇｎ社製）及び専用のＤＣ抵抗サンプルパックによる５端子ホール測定を用いた。試料の典型的な形状は、長さ６ｍｍ×奥行き２ｍｍ×厚さ０．４ｍｍとした。
ホール測定は、試料を所定の温度として、試料面に垂直に−５Ｔ〜５Ｔの範囲で磁場を印加してホール抵抗を測定することにより行った。磁場に対するホール抵抗の傾きよりホール係数を算出し、さらにホール係数よりキャリア密度を計算した。【００７２】
＜実施例１＞
実施例１では、ゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物を、（１）急冷工程と（２）放電プラズマ焼結工程とを経て得た。【００７３】
（１）急冷工程
原料として、ゲルマニウム（フルウチ化学社製、粉末１００メッシュ、純度９９．９９９％以上）、テルル（大阪アサヒメタル社製、粒状、６ＮＳ−２  ＧＲＡＤＥ）、ビスマス（大阪アサヒメタル社製、粒状、６Ｎ  ＧＲＡＤＥ）、銅（高純度化学研究所社製、粉末８５０μｍパス、純度９９．９９９％以上）、アンチモン（大阪アサヒメタル社製、６Ｎ  ＧＲＡＤＥ  Ｓ−２）、銀（フルウチ化学社製、粉末３００メッシュ、純度９９．９９％以上）を用いた。
実施例１では、組成として化学式Ｇｅ１＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ Ｂｉｂ Ｃｕｃ ＳｂｄＡｇｅＴｅにおいてａ＝０．００、ｂ＝０．０４、ｃ＝０．０４、ｄ＝０．１３、ｅ＝０．１３となるように秤量し、メノウ乳鉢を用いて混合物を得た。次いで、２．５ｇの混合物を石英アンプル（内径５ｍｍ、外径６ｍｍ）に詰めて、３×１０−４Ｐａ以下の減圧下で、封入した。石英アンプルを電気炉中にて９５０℃まで加熱し、混合物を溶融させた。９５０℃まで５℃／分で昇温し、５時間保持した。
急冷工程では、９５０℃の電気炉内から石英アンプルを取り出し、直後に室温の水中に投入した。このとき石英アンプル中の混合物は急冷されて、溶融状態から急激に固化しインゴットとなった。９５０℃の溶融状態から１００℃以下になるまで１分間以内で冷却した。石英アンプルからインゴットを回収した。【００７４】
（２）放電プラズマ焼結工程
放電プラズマ焼結工程には、放電プラズマ焼結装置  ドクターシンターラボ  ＳＰＳ−５１１Ｓ（富士電波工機社製）を用いた。急冷工程で得られたインゴットを乳鉢粉砕により粉末にした。粉末を専用のカーボン製ダイに詰めて、下記の条件にて放電プラズマ焼結をすることで、化合物を得た。加熱は１０分間行った。
装  置： ドクターシンターラボＳＰＳ−５１１Ｓ（富士電波工機社製）
試  料： 粉末  ２．５ｇ
ダ  イ： 専用のカーボン製ダイ  内径１０ｍｍφ
雰囲気： アルゴン０．０５ＭＰａ
圧  力： ４０ＭＰａ（３．１ｋＮ）
加  熱： ５５０℃  １０分間【００７５】
実施例１の化合物の組成、キャリア密度、及び組成偏析を表１に示す。【００７６】
（結晶構造解析）
実施例１の化合物の粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するピークのみが観察された。ゲルマニウム金属に由来するピークは観察されなかった。【００７７】
（組成偏析）
実施例１の化合物の組成分布を図２に示す。ビスマス、銅、アンチモン及び銀の偏析の最長径は０．２μｍ未満であった。【００７８】
（キャリア密度）
実施例１の１０Ｋにおけるキャリア密度は５．３×１０２０ｃｍ−３であった。【００７９】
（熱電変換特性）
実施例１の化合物の熱電変換物性の温度依存性を図５に示す。実施例１の化合物の熱電変換特性として出力因子とｚＴを表２に、熱電変換物性の温度依存性を表３に示す。【００８０】
＜実施例２＞
実施例２の化合物は、組成を変えた以外は実施例１と同様に（１）急冷工程と（２）放電プラズマ焼結工程とを経て得た。【００８１】
（１）急冷工程
実施例２では、組成として化学式Ｇｅ１＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ Ｂｉｂ Ｃｕｃ Ｓｂｄ
ＡｇｅＴｅにおいてａ＝０．０２、ｂ＝０．０４、ｃ＝０．０２、ｄ＝０．１３、ｅ＝０．１３とした以外は、実施例１と同様の急冷工程を実施して、インゴットを得た。【００８２】
（２）放電プラズマ焼結工程
実施例２のインゴットを用いた以外は、実施例１と同様の放電プラズマ焼結工程を実施して、化合物を得た。【００８３】
実施例２の化合物の組成、キャリア密度、及び組成偏析を表１に示す。【００８４】
（結晶構造解析）
実施例２の化合物の粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するピークのみが観察された。ゲルマニウム金属に由来するピークは観察されなかった。【００８５】
（組成偏析）
実施例２の化合物の組成分布を図３に示す。ビスマス、銅、アンチモン及び銀の偏析の最長径は０．２μｍ未満であった。【００８６】
（キャリア密度）
実施例２の１０Ｋにおけるキャリア密度は４．７×１０２０ｃｍ−３であった。【００８７】
（熱電変換特性）
実施例２の化合物の熱電変換物性の温度依存性を図５に示す。実施例２の化合物の熱電変換特性として出力因子とｚＴを表２に、熱電変換物性の温度依存性を表３に示す。【００８８】
＜比較例１＞
比較例１として、ゲルマニウム、テルル、アンチモン及び銀を含む化合物を、実施例１と同様に（１）急冷工程と（２）放電プラズマ焼結工程とを経て得た。比較例１ではビスマスと銅を組成に含んでいないことが実施例１〜２と異なる。【００８９】
（１）急冷工程
比較例１では、組成として化学式Ｇｅ１＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ Ｂｉｂ Ｃｕｃ ＳｂｄＡｇｅＴｅにおいてａ＝０．００、ｂ＝０．００、ｃ＝０．００、ｄ＝０．１３、ｅ＝０．１３とした以外は、実施例１と同様の急冷工程を実施して、インゴットを得た。【００９０】
（２）放電プラズマ焼結工程
比較例１のインゴットを用いた以外は、実施例１と同様の放電プラズマ焼結工程を実施して、化合物を得た。【００９１】
比較例１の化合物の組成、キャリア密度、及び組成偏析を表１に示す。【００９２】
（結晶構造解析）
比較例１の化合物の粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するピークのみが観察された。ゲルマニウム金属に由来するピークは観察されなかった。【００９３】
（組成偏析）
比較例１の化合物の組成分布を図４に示す。アンチモン及び銀の偏析の最長径は０．２μｍ未満であった。【００９４】
（キャリア密度）
比較例１の１０Ｋにおけるキャリア密度は１．８×１０２１ｃｍ−３であった。【００９５】
（熱電変換特性）
比較例１の化合物の熱電変換物性の温度依存性を図５に示す。比較例１の化合物の熱電変換特性として出力因子とｚＴを表２に、熱電変換物性の温度依存性を表３に示す。【００９６】
実施例１〜２と比較例１の化合物の組成と材料物性とを表１にまとめた。
実施例１〜２で得られたゲルマニウム、テルル、ビスマス、銅、アンチモン及び銀を含む化合物のキャリア密度は、比較例１で得られたゲルマニウム、テルル、アンチモン及び銀を含む化合物のキャリア密度よりも低かった。【００９７】
実施例１〜２と比較例１の化合物の組成偏析は、ビスマス、銅、アンチモン及び銀において０．２μｍ未満であった。実施例１〜２と比較例１の化合物の粉末Ｘ線回折パターンから、テルル化ゲルマニウムに由来するピークのみが観察され、ゲルマニウム金属に由来するピークは観察されなかった。【００９８】
実施例１〜２と比較例１の化合物の熱電変換特性として出力因子とｚＴを図５で比較し、表２にまとめた。【００９９】
実施例１の出力因子とｚＴは、２５℃〜５００℃の範囲で、比較例１よりも高い値が得られた。実施例１の熱電変換特性（出力因子とｚＴ）の温度依存性はいずれも比較例１よりも小さかった。即ち実施例１では、高温で比較的高い熱電変換特性を備えていながら、温度依存性が小さく、低温においても高い熱電変換特性を有する化合物が得られた。【０１００】
実施例２の出力因子は、２５℃〜３５０℃の範囲で、比較例１よりも高い値が得られ、３５０℃〜５００℃の範囲で実施例２と比較例１の出力因子はほぼ同等であった。実施例２のｚＴは、２５℃〜５００℃の範囲で、比較例１よりも高い値が得られた。実施例２の熱電変換特性（出力因子とｚＴ）の温度依存性はいずれも比較例１よりも小さかった。即ち実施例２では、高温での比較的高い熱電変換特性を備えていながら、温度依存性が小さく、低温においても高い熱電変換特性を有する化合物が得られた。【０１０１】
【表１】
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【０１０２】
【表２】
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【０１０３】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の化合物は、５００℃付近の高温温度領域でも優れた熱電変換特性を発揮するため、車載用用途等、種々の分野に応用することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１１    熱電変換素子
１２    ｐ型熱電変換素子
１３    ｎ型熱電変換素子
１４    金属電極
１５    第１金属電極
１６    第２金属電極
１７    第３金属電極
１８    絶縁板
１９    絶縁体
２０    熱電変換モジュール
２１    熱電変換デバイス
２１’  熱電変換デバイス
３１    リード線
３２    リード線
４１    熱源
４２    放熱板
４３    電極（マイナス極）
４４    電極（プラス極）
４３’  電極（マイナス極）
４４’  電極（プラス極）
４５    外部負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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