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JP5664998B2 - Thermoelectric conversion material, thermoelectric power generating element and Peltier cooling element using the same - Google Patents
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Thermoelectric conversion material, thermoelectric power generating element and Peltier cooling element using the same Download PDF

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Description

この発明は、熱電変換材料及びそれを利用した熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子、特に希土類硫化物及びそれを利用した熱電発電用素子とペルチェ冷却用素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material, a thermoelectric power generating element and a Peltier cooling element using the thermoelectric conversion material, and more particularly to a rare earth sulfide, a thermoelectric power generating element and a Peltier cooling element using the rare earth sulfide.

熱電変換を利用したエネルギー変換技術として、熱電発電やペルチェ冷却が良く知られている。熱電発電は、ゼーベック効果による熱エネルギーから電気エネルギーへの変換を利用しており、この技術は、特に廃棄された熱エネルギー(廃熱)を電気エネルギーとして回収できる省エネルギー技術として大きな注目を浴びている。ペルチェ冷却は熱電発電の逆で、ペルチェ効果による電気エネルギーから熱エネルギーへの変換を利用しており、電気エネルギーを用いた冷却の技術である。しかしながら、熱電変換の効率は低く、そのため、これら技術の実用は限定的な分野に留まっている。   Thermoelectric power generation and Peltier cooling are well known as energy conversion technologies using thermoelectric conversion. Thermoelectric power generation uses conversion from thermal energy to electrical energy by the Seebeck effect, and this technology is particularly attracting attention as an energy-saving technology that can recover waste thermal energy (waste heat) as electrical energy. . Peltier cooling is the reverse of thermoelectric power generation and uses conversion from electrical energy to thermal energy by the Peltier effect, and is a cooling technique using electrical energy. However, the efficiency of thermoelectric conversion is low, so the practical use of these technologies remains in a limited field.

熱電変換では、ゼーベック効果とペルチェ効果といった材料に関係する物理現象を利用している。すなわち、熱電変換の効率を向上させるためには、性能の高い材料(熱電変換材料)を開発する必要がある。熱電変換材料の性能は、次の数1に示す熱電性能指数(ZT)で評価される。
数1:ZT = ST/ρκ
ここで、Sはゼーベック係数、Tは温度、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率である。熱電変換材料の活用分野を広げるためには、この熱電性能指数を向上させる必要がある。
Thermoelectric conversion uses physical phenomena related to materials such as Seebeck effect and Peltier effect. That is, in order to improve the efficiency of thermoelectric conversion, it is necessary to develop a material with high performance (thermoelectric conversion material). The performance of the thermoelectric conversion material is evaluated by the thermoelectric figure of merit (ZT) shown in the following Equation 1.
Equation 1: ZT = S 2 T / ρκ
Here, S is the Seebeck coefficient, T is the temperature, ρ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity. In order to expand the application field of thermoelectric conversion materials, it is necessary to improve this thermoelectric figure of merit.

現在使用されている又は使用が検討されている熱電変換材料としては、ビスマス・テルル、鉛・テルルやシリコン・ゲルマニウム、希土類ホウ化物、希土類硫化物などがあるが、現状ではその熱電性能指数は十分に高い値であるとはいえない。   There are bismuth tellurium, lead tellurium, silicon / germanium, rare earth borides, rare earth sulfides, etc. as thermoelectric conversion materials that are currently in use or are being considered for use. It cannot be said that the value is very high.

希土類硫化物は既知の材料であり、その組成式はR(RはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの希土類金属群から選ばれる少なくとも1種であり、zの範囲は1.80以上で2.50以下)で表わせる。その結晶構造は立方晶Th型である。融点は2000℃程度と高く、そのため高温まで使用できるn型の熱電変換材料として期待されている。ここで、一般的に材料を構成する元素が多いほど熱伝導率は低くなることから、高温熱電変換材料として期待される希土類硫化物はRに二つ以上の希土類金属を含む。
さらに、硫黄は地球上に大変多く存在する元素であり、資源として枯渇する心配がない。そのため、希土類硫化物は資源的な面からも大きな注目を浴びている。
Rare earth sulfide is a known material, and its composition formula is R z S 3 (R is Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb. And at least one selected from the group of rare earth metals of Lu, and the range of z can be expressed as 1.80 or more and 2.50 or less. Its crystal structure is cubic Th 3 P 4 type. Since the melting point is as high as about 2000 ° C., it is expected as an n-type thermoelectric conversion material that can be used up to a high temperature. Here, since the thermal conductivity generally decreases as the number of elements constituting the material increases, the rare earth sulfide expected as a high-temperature thermoelectric conversion material contains two or more rare earth metals in R.
In addition, sulfur is an element that is very abundant on the earth, and there is no worry of exhausting it as a resource. For this reason, rare earth sulfides have received much attention from the viewpoint of resources.

従来の技術では、Rに二つ以上の希土類金属を含む多元系の希土類硫化物の熱電性能指数を金属伝導的な振る舞いを利用して向上させている(特許文献1、非特許文献1)。例えば、特許文献1によると、SmLa、EuLa、YbLa、(xの範囲は0.11以上で0.60以下であり、yの範囲は1.65以上であり2.14以下であり、xとyを足した値は2.25)は金属伝導的な振る舞いを示す。また、非特許文献1には、NdGd(xは1.00、yの範囲は1.00以上で1.08以下)も金属伝導的な振る舞いを示すことが記載されている。
金属伝導では、温度が上昇するにつれてゼーベック係数の絶対値と電気抵抗率は共に線形的に増加する。その結果として、温度が上昇するにつれて、前記数1で定義される熱電性能指数は緩やかに増加することとなる。この増加の程度が低いので、この従来の技術では、多元系の希土類硫化物の熱電性能指数は高温で十分に高い値には達していない。
また、前記[0004]で記載したビスマス・テルル、鉛・テルルやシリコン・ゲルマニウムなどほとんどの既存の熱電変換材料でも同様に、金属伝導的な振る舞いを利用して熱電性能指数を向上させているが十分に高い値には達していない。
In the prior art, the thermoelectric figure of merit of a multi-element rare earth sulfide containing two or more rare earth metals in R is improved by utilizing the metal conductive behavior (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). For example, according to Patent Document 1, Sm x La y S 3 , Eu x La y S 3 , Yb x La y S 3 , (x ranges from 0.11 to 0.60, and y ranges from 1.65 or more and 2.14 or less, and a value obtained by adding x and y is 2.25) indicates a metal conductive behavior. Non-Patent Document 1 describes that Nd x Gd y S 3 (x is 1.00, y is in the range of 1.00 to 1.08) also exhibits a metal conductive behavior. .
In metal conduction, both the absolute value of the Seebeck coefficient and the electrical resistivity increase linearly as the temperature increases. As a result, as the temperature rises, the thermoelectric figure of merit defined by Equation 1 increases slowly. Since the degree of this increase is low, in this conventional technique, the thermoelectric figure of merit of the multi-element rare earth sulfide does not reach a sufficiently high value at high temperatures.
Similarly, most existing thermoelectric conversion materials such as bismuth / tellurium, lead / tellurium, silicon / germanium described in [0004] improve the thermoelectric figure of merit using metal conductive behavior. Not high enough.

このように、多元系の希土類硫化物では金属伝導的な振る舞いを利用しているため、高温の熱電性能指数が十分に高い値に達しないと考えられていた。
一方で、理論的には、ホッピング伝導を利用することで、高温の熱電性能指数を改善できる可能性があることが知られている。非特許文献2によると、例えば可変領域ホッピング伝導では、温度Tが上昇するにつれてゼーベック係数の絶対値はT1/2に比例する形で増加して、一方で電気抵抗率はexp(C/T1/4)に比例して減少する。ここでCは定数である。これらの結果として、温度が上昇するにつれて前記数1で定義される熱電性能指数は著しく増加する。さらに、ホッピング長、活性化エネルギー、ホッピングをしているキャリアの濃度を調整すれば、高温で高い熱電性能指数が得られる。
As described above, since the multi-element rare earth sulfide utilizes the metal conductive behavior, it has been considered that the high temperature thermoelectric figure of merit does not reach a sufficiently high value.
On the other hand, it is theoretically known that there is a possibility that a high temperature thermoelectric figure of merit can be improved by utilizing hopping conduction. According to Non-Patent Document 2, for example, in the variable region hopping conduction, as the temperature T increases, the absolute value of the Seebeck coefficient increases in proportion to T 1/2 , while the electrical resistivity is expressed as exp (C / T It decreases in proportion to 1/4 ). Here, C is a constant. As a result of these, as the temperature rises, the thermoelectric figure of merit defined by Equation 1 increases significantly. Furthermore, a high thermoelectric figure of merit can be obtained at high temperatures by adjusting the hopping length, activation energy, and concentration of hopping carriers.

非特許文献3によると、希土類硫化物の一種である硫化サマリウムSm(zの範囲は2.00以上で2.31以下)がホッピング伝導的な振る舞いを示すことが報告されている。しかしながら、RにSmのみしか含まない二元系の希土類硫化物のためにその熱伝導率は高く、その結果、熱電性能指数は727℃の高温でも0.15程度の低い値に留まっている。さらに、RにSmのみしか含まないため、ホッピング長、活性化エネルギー、ホッピングをしているキャリアの濃度を調整することが困難であり、これ以上の熱電性能指数の向上は期待できない。
また、非特許文献4によると多元系の希土類硫化物の一種であるSm0.75Eu0.75Gd0.75がホッピング伝導的な振る舞いを示すことが報告されている。しかしながら、原子価が2+に安定しているEuイオンの影響を大いに受けて、一般的な希土類硫化物とは異なるp型の非常に劣っている熱電変換特性を示す。
報告されているその他の熱電変換材料においても、ホッピング伝導を用いても熱電性能指数は十分に高い値には達していない。例えば、特許文献2によると、希土類ホウ化物の一種であるテルビウム多ホウ化物の伝導機構はホッピング則に従うが、その熱電性能指数は727℃の高温でも0.06程度の低い値に留まっている。
According to Non-Patent Document 3, one sulfide samarium Sm Z S 3 is a rare earth sulfide (range z is 2.31 or less 2.00 or higher) has been reported to exhibit a hopping conduction behavior. However, because of the binary rare earth sulfide containing only Sm in R, its thermal conductivity is high. As a result, the thermoelectric figure of merit remains as low as about 0.15 even at a high temperature of 727 ° C. Furthermore, since R contains only Sm, it is difficult to adjust the hopping length, activation energy, and concentration of hopping carriers, and no further improvement in the thermoelectric performance index can be expected.
Further, according to Non-Patent Document 4, it is reported that Sm 0.75 Eu 0.75 Gd 0.75 S 3, which is a kind of multi-element rare earth sulfide, exhibits a hopping conductive behavior. However, it is greatly influenced by Eu ions whose valence is stable at 2+, and shows p-type and very inferior thermoelectric conversion characteristics different from general rare earth sulfides.
In other reported thermoelectric conversion materials, even when hopping conduction is used, the thermoelectric figure of merit has not reached a sufficiently high value. For example, according to Patent Document 2, the conduction mechanism of terbium polyboride, which is a kind of rare earth boride, follows the hopping law, but its thermoelectric figure of merit remains as low as about 0.06 even at a high temperature of 727 ° C.

United States Patent、Reg.No.H197United States Patent, Reg. No. H197 特許第4081547号Patent No. 4081547

Michihiro OHTA and Shinji HIRAI、「Thermoelectric Properties of NdGd1+xS3 Prepared by CS2 Sulfurization」、Journal of Electronic Materials、Vol.38、No.7、pp.1287〜1292、2009年1月28日。Michihiro OHTA and Shinji HIRAI, “Thermoelectric Properties of NdGd1 + xS3 Prepared by CS2 Sulfurization”, Journal of Electronic Materials. 38, no. 7, pp. 1287-1292, January 28, 2009. Nevill MOTT、「Conduction in Non−Crystalline Materials」(Oxford Science Publications)、pp.18〜38、1987年。Neville MOTT, "Conduction in Non-Crystalline Materials" (Oxford Science Publications), pp. 18-38, 1987. A.V.GOLUBKOV、M.M.KAZANIN、V.V.KAMINSKII、V.V.SOKOLOV、S.M.SOLOV’EV、 L.N.TRUSHNIKOVA、「Thermoelectric Properties of SmSx(x=0.8―1.5)」、Inorganic Materials、Vol.39、No.12、pp.1251〜1256、2003年1月8日。A. V. GOLUBKOV, M.M. M.M. KAZANIN, V. V. KAMINSKII, V.K. V. SOKOLOV, S. M.M. SOLV'EV, L. N. TRUSHNIKOVA, “Thermoelectric Properties of SmSx (x = 0.8-1.5)”, Inorganic Materials, Vol. 39, no. 12, pp. 1251-1256, January 8, 2003. Michihiro OHTA、Toshihiro KUZUYA、Hideto SASAKI、Taku KAWASAKI、Shinji HIRAI、「Synthesis of Multinary Rare‐earth Sulfides PrGdS3、NdGdS3、and SmEuGdS4、and Investigation of their Thermoelectric Properties」、Journal of Alloys and Compounds、Vol.484、Issues 1〜2、pp.268〜272、2009年4月23日。Michihiro OHTA, Toshihiro KUZUYA, Hideto SASAKI, Taku KAWASAKI, Shinji HIRAI, "Synthesis of Multinary Rare-earth Sulfides PrGdS3, NdGdS3, and SmEuGdS4, and Investigation of their Thermoelectric Properties", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 484, Issues 1-2, pp. 268-272, April 23, 2009.

多元系の希土類硫化物は既知の材料であり、資源的な制約のないn型の高温熱電変換材料の候補である。しかしながら、従来の技術では、金属伝導的な振る舞いを利用して熱電変換材料としての設計を行っているため、多元系の希土類硫化物の熱電性能指数は十分に高い値に達していない。一方で、一般的にホッピング伝導を利用することで、熱電性能指数を高温で大きく改善できる可能性があることが知られている。   Multi-element rare earth sulfides are known materials and are candidates for n-type high-temperature thermoelectric conversion materials without resource limitations. However, in the conventional technology, since the design as a thermoelectric conversion material is performed by utilizing a metal conductive behavior, the thermoelectric performance index of the multi-element rare earth sulfide does not reach a sufficiently high value. On the other hand, it is generally known that the thermoelectric figure of merit can be greatly improved at high temperatures by utilizing hopping conduction.

そこで、本発明は、これらの課題を解決するために、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属Aと価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属Bを含むことを特徴とする組成式(A)S(xの範囲は0.80以上で1.20以下であり、yの範囲は0.80以上で1.30以下であり、xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せる多元系の希土類硫化物を作製して、熱電性能指数の向上に効果的なホッピング伝導的な振る舞いを引き起こして、高温で高い熱電性能指数を実現した熱電変換材料を提供することを目的とする。さらに、この熱電変換材料を利用した熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子を提供することも目的とする。 Therefore, in order to solve these problems, the present invention includes a rare earth metal A that exists in ions in a valence fluctuation state and a rare earth metal B that exists in ions that are not in a valence fluctuation state. Composition formula (A x B y ) S 3 (the range of x is 0.80 or more and 1.20 or less, the range of y is 0.80 or more and 1.30 or less, and a value obtained by adding x and y Range of 1.80 or more and 2.50 or less), producing a ternary rare earth sulfide that causes effective hopping conduction behavior to improve thermoelectric figure of merit and high thermoelectric figure of merit at high temperature It aims at providing the thermoelectric conversion material which implement | achieved. It is another object of the present invention to provide a thermoelectric power generation element and a Peltier cooling element using the thermoelectric conversion material.

金属伝導では、温度が上昇するにつれてゼーベック係数の絶対値と電気抵抗率は共に増加する。その結果、温度が上昇するにつれて、前記数1で定義される熱電性能指数は緩やかに増加することとなる。したがって、温度の上昇による熱電性能指数の大きな増加は望めない。
それに対して、ホッピング伝導では、温度が上昇するにつれてゼーベック係数の絶対値は増加して、一方で電気抵抗率は減少する。その結果、温度が上昇するにつれて熱電性能指数は著しく増加する。言い換えれば、ホッピング伝導は、高温で高い熱電性能指数をもたらす可能性がある。
In metal conduction, both the absolute value of the Seebeck coefficient and the electrical resistivity increase as the temperature increases. As a result, as the temperature rises, the thermoelectric figure of merit defined by Equation 1 increases gradually. Therefore, a large increase in the thermoelectric figure of merit due to the temperature rise cannot be expected.
In contrast, in hopping conduction, the absolute value of the Seebeck coefficient increases as the temperature increases, while the electrical resistivity decreases. As a result, the thermoelectric figure of merit increases significantly as the temperature increases. In other words, hopping conduction can lead to a high thermoelectric figure of merit at high temperatures.

価数揺動状態では、固体中のイオンは異なった原子価の状態を揺動している。この異なった原子価のイオン間をキャリア(電荷を運ぶ電子やホール)がホッピングすることで電気伝導が生じ、その結果、高温で高い熱電性能指数がもたらされる。   In the valence fluctuation state, ions in the solid oscillate in different valence states. Carrier conduction (electrons and holes carrying charge) hops between ions of different valences to cause electrical conduction, resulting in a high thermoelectric figure of merit at high temperatures.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、資源的に豊富な希土類硫化物Rにおいて、Rに価数揺動状態のイオンで存在するSmと価数揺動状態ではないイオンで存在するGdを含むとき、熱電性能指数の向上に効果的なホッピング伝導的な振る舞いが引き起こされ、その結果として500℃以上の高温で高い熱電性能指数を示すことを見出した。この組成式は、(SmGd)S(xの範囲は0.95以上で1.10以下、yの範囲は0.95以上で1.15以下、xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せる。Smイオンは、Sm2+とSm3+で揺動している。また(SmGd)Sは多元系の希土類硫化物であり、熱伝導率は低い値を示す。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that, in the rare earth sulfide R z S 3 , which is abundant in resources, R exists in the valence fluctuation state of Sm and valence fluctuation. It has been found that when Gd present in ions that are not in a dynamic state is included, an effective hopping conduction behavior is caused to improve the thermoelectric figure of merit, resulting in a high thermoelectric figure of merit at a high temperature of 500 ° C. or higher. . This composition formula is (Sm x Gd y ) S 3 (where x ranges from 0.95 to 1.10, y ranges from 0.95 to 1.15, and x plus y) The range is 1.80 or more and 2.50 or less). Sm ions are oscillated by Sm2 + and Sm3 + . Further, (Sm x Gd y ) S 3 is a multi-element rare earth sulfide, and its thermal conductivity shows a low value.

Smのみならず、Ybイオンは価数揺動状態を起こしやすいということは既知の事実である。そのため、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属は、Sm、Ybから選ばれる少なくとも1種であることで同様の効果が得られるという結論に至った。YbイオンはYb2+とYb3+で揺動しやすい。これらのイオンを同時に含んだ場合は、同じ希土類金属のイオン間をキャリアがホッピングすることはもちろん、異なる希土類金属のイオン間もキャリアはホッピングする。例えば、Sm2+とSm3+の間はもちろん、Sm2+とYb3+の間もキャリアがホッピングする。 It is a known fact that not only Sm but also Yb ions are likely to cause a valence fluctuation state. Therefore, it has been concluded that the same effect can be obtained when the rare earth metal present in the ions in the valence fluctuation state is at least one selected from Sm and Yb. Yb ions are likely to swing with Yb 2+ and Yb 3+ . When these ions are included at the same time, the carrier hops between ions of the same rare earth metal as well as between the ions of different rare earth metals. For example, between the Sm 2+ and Sm 3+, of course, is also the carrier hops between Sm 2+ and Yb 3+.

一方で、Gdのみならず全ての希土類金属のイオンは価数揺動状態ではない状態もとりえる。すなわち、価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属は、La、Ce、Pr、Nd、Gdから選ばれる少なくとも1種であることで同様の効果が得られるという結論に至った。さらに検討した結果、価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Luから選ばれる少なくとも1種であることで、同様の効果が得られるという結論に至った。
これらは希土類金属の種類に依らず、全てのイオンの原子価は3+で安定しており、またホッピング伝導的な振る舞いには直接は関与しない。希土類金属の種類は関係なく、価数揺動状態のイオンと価数揺動状態ではないイオンが共に存在することが重要である。価数揺動状態ではないイオンが価数揺動状態のイオンの間に存在することで、ホッピング長や活性化エネルギーが変化する。また、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属の組成比率により、ホッピングをしているキャリアの濃度が決まる。すなわち、ホッピング長、活性化エネルギー、ホッピングをしているキャリアの濃度を最適とできるので、高温の熱電性能指数を向上できる。
On the other hand, not only Gd but also all rare earth metal ions can be in a state where the valence fluctuation state is not present. That is, it was concluded that the same effect can be obtained when the rare earth metal present in ions that are not in a valence fluctuation state is at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, and Gd. As a result of further investigation, the rare earth metal existing in ions that are not in the valence fluctuation state is at least one selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu. It was concluded that the same effect can be obtained by using seeds.
Regardless of the type of rare earth metal, the valence of all ions is stable at 3+, and they are not directly involved in the behavior of hopping conduction. Regardless of the type of rare earth metal, it is important that both ions in the valence fluctuation state and ions not in the valence fluctuation state exist. The presence of ions that are not in a valence fluctuation state between ions in a valence fluctuation state changes the hopping length and activation energy. In addition, the concentration of hopping carriers is determined by the composition ratio of the rare earth metal present in ions in the valence fluctuation state and the rare earth metals present in ions not in the valence fluctuation state. That is, since the hopping length, activation energy, and concentration of hopping carriers can be optimized, the high temperature thermoelectric performance index can be improved.

本発明の熱電変換材料では、その組成は、xの範囲は0.95以上で1.10以下、yの範囲は0.95以上で1.15以下だけではなく、その組成から、わずかにずれたxの範囲は0.80以上で1.20以下でありyの範囲は0.80以上で1.30以下でも同様の効果が得られるという結論に至った。
前記[0006]に記載の通り、特許文献1よると、xの範囲が0.11以上で0.60以下かつyの範囲が1.65以上であり2.14以下のときは、ホッピング伝導的な振る舞いを示さなくなり、金属伝導的な振る舞いを示すことになると言われているが、これはあくまで金属伝導的振る舞いを利用して熱電性能指数を向上させるものである。一方、本願発明では、ホッピング伝導的な振る舞いを利用するものであって、上記のような特許文献1の技術に拘束されるものではない。すなわち、特許文献1に記載するxとyの数値を逸脱する範囲において、ホッピング伝導的な振る舞いを利用して、熱電性能指数を向上させており、この意味から、本願発明は、従来技術とは明確に異なるものである。
また、前記[0008]に記載の通り、非特許文献4には、多元系の希土類硫化物の一種であるSm0.75Eu0.75Gd0.75がホッピング伝導的な振る舞いを示すことが報告されている。しかしながら、xとyの数値が共に少なすぎるためにEuの影響を大いに受け、熱電性能指数の向上に効果的なホッピング伝導的な振る舞いを引き起こすことはできていない。その結果、Sm0.75Eu0.75Gd0.75は非常に劣っているp型の熱電変換特性を示す。
In the thermoelectric conversion material of the present invention, the composition of x is 0.95 or more and 1.10 or less, and y is 0.95 or more and 1.15 or less. It was concluded that the same effect can be obtained when the range of x is 0.80 or more and 1.20 or less and the range of y is 0.80 or more and 1.30 or less.
As described in the above [0006], according to Patent Document 1, when the range of x is 0.11 or more and 0.60 or less and the range of y is 1.65 or more and 2.14 or less, hopping conductive However, it is said that the metal-conducting behavior is exhibited and the thermoelectric figure of merit is improved by utilizing the metal-conducting behavior. On the other hand, the present invention uses hopping conduction behavior and is not restricted by the technique of Patent Document 1 as described above. That is, in a range that deviates from the values of x and y described in Patent Document 1, the thermoelectric figure of merit is improved by utilizing hopping conduction behavior. From this meaning, the present invention is different from the prior art. It is clearly different.
Further, as described in [0008], in Non-Patent Document 4, Sm 0.75 Eu 0.75 Gd 0.75 S 3, which is a kind of multi-element rare earth sulfide, exhibits a hopping conductive behavior. It has been reported. However, since both the values of x and y are too small, they are greatly influenced by Eu and cannot cause hopping conductive behavior that is effective in improving the thermoelectric figure of merit. As a result, Sm 0.75 Eu 0.75 Gd 0.75 S 3 exhibits p-type thermoelectric conversion characteristics that are very poor.

本発明の熱電変換材料では、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属の組成比率を調整して、ホッピング長、活性化エネルギー、ホッピングをしているキャリアの濃度を最適として、高温の熱電性能指数の向上に成功した。
前記[0008]に記載の通り、非特許文献3に報告がある価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属のみしか含まないSm(zの範囲は2.00以上で2.31以下)の場合では、価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属を含まないため、組成比率の調整を通じて、ホッピング長、活性化エネルギー、ホッピングをしているキャリアの濃度を調整できず、熱電性能指数の改善は望めない。Smは二元系の希土類硫化物であり、熱伝導率が高いことも致命的な欠陥である。
In the thermoelectric conversion material of the present invention, the hopping length, activation energy, and hopping are adjusted by adjusting the composition ratio of the rare earth metal existing in the valence fluctuation state ion and the rare earth metal existing in the valence fluctuation state ion. We have succeeded in improving the high-temperature thermoelectric figure of merit by optimizing the concentration of the carriers that are being used.
As described in [0008] above, Sm Z S 3 containing only rare earth metals present in valence fluctuation ions reported in Non-Patent Document 3 (z range is 2.00 or more and 2.31). In the case of the following), since it does not include rare earth metals present in ions that are not in a valence fluctuation state, the hopping length, activation energy, and concentration of hopping carriers cannot be adjusted through adjustment of the composition ratio. An improvement in the thermoelectric figure of merit cannot be expected. Sm Z S 3 is a binary rare earth sulfide, and its high thermal conductivity is also a fatal defect.

また、本発明の熱電変換材料には、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属という、双方の機能を有する同種の希土類金属を用いることができるため、異種金属間で発生し易い、製造工程中の反応(複数の化合物の形成)あるいは偏析を抑制できるという大きな利点がある。   Further, the thermoelectric conversion material of the present invention uses the same kind of rare earth metal having both functions of a rare earth metal present in ions in a valence fluctuation state and a rare earth metal present in ions not in a valence fluctuation state. Therefore, there is a great advantage that reaction (formation of a plurality of compounds) or segregation that is likely to occur between different metals can be suppressed.

さらに、ホッピング伝導を利用して高い熱電性能指数を実現した希土類硫化物からなる熱電変換材料が、熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子に利用できることを見出した。   Furthermore, the present inventors have found that a thermoelectric conversion material made of rare earth sulfide that realizes a high thermoelectric figure of merit using hopping conduction can be used for a thermoelectric power generation element and a Peltier cooling element.

多元系の希土類硫化物は資源的な制約のないn型の高温熱電変換材料として期待されているが、従来の技術では金属伝導的な振る舞いを利用しているため、高温で十分に高い熱電性能指数を得るには至っていない。一方で、ホッピング伝導は、高温で高い熱電性能指数をもたらす可能性を秘めているが、現状では十分に活用された例はない。本発明によれば、多元系の希土類硫化物において、熱電性能指数の向上に効果的なホッピング伝導的な振る舞いを引き起こすことが可能になり、その上、希土類硫化物とホッピング伝導的な振る舞いの持っている利点をお互いに効果的に高めあうことができて、熱電性能指数を改善できる。   Multi-element rare earth sulfide is expected as an n-type high-temperature thermoelectric conversion material without resource constraints, but the conventional technology uses metal-conducting behavior, so it has sufficiently high thermoelectric performance at high temperatures. The index has not been reached. On the other hand, hopping conduction has the potential to provide a high thermoelectric figure of merit at high temperatures, but there are no examples of full utilization at present. According to the present invention, it is possible to cause a hopping conductive behavior that is effective in improving the thermoelectric figure of merit in a multi-element rare earth sulfide, and furthermore, it has a hopping conductive behavior with a rare earth sulfide. Can effectively enhance each other's benefits and improve the thermoelectric figure of merit.

さらに、発明したホッピング伝導的な振る舞いを示す希土類硫化物からなる熱電変換材料は、熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子に利用できる。   Furthermore, the invented thermoelectric conversion material composed of rare earth sulfides exhibiting hopping conductive behavior can be used for thermoelectric power generation elements and Peltier cooling elements.

この発明の実施例1において作製されたSmGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.06以下)の(a)ゼーベック係数と(b)電気抵抗率の温度依存性を示す図である。(A) Seebeck coefficient and (b) electrical resistivity of Sm x Gd y S 3 (x is 1.00 and y is 1.00 or more and 1.06 or less) produced in Example 1 of this invention It is a figure which shows temperature dependence. この発明の実施例1と比較例1において作製されたSmGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.06以下)とLaGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.03以下)の熱電性能指数の温度依存性を示す図である。Sm x Gd y S 3 (x is 1.00, y is 1.00 or more and 1.06 or less) and La x Gd y S 3 (x is x ) prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention. It is a figure which shows the temperature dependence of the thermoelectric figure of merit of 1.00 and y being 1.00 or more and 1.03 or less. この発明の比較例1において作製されたLaGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.03以下)の(a)ゼーベック係数と(b)電気抵抗率の温度依存性を示す図である。(A) Seebeck coefficient and (b) electrical resistivity of La x Gd y S 3 (x is 1.00 and y is 1.00 to 1.03) produced in Comparative Example 1 of the present invention It is a figure which shows temperature dependence.

本発明の熱電変換材料は、組成式(A)S(xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せる多元系の希土類硫化物を基本としている。多元系の希土類硫化物の熱伝導率は低い値を示す。 The thermoelectric conversion material of the present invention is based on a multi-element rare earth sulfide that can be expressed by a composition formula (A x B y ) S 3 (the range of a value obtained by adding x and y is 1.80 or more and 2.50 or less). Yes. The thermal conductivity of multi-element rare earth sulfides is low.

本発明では、組成式(A)Sにおいて、ホッピング伝導的な振る舞いを引き起こすために、Aに価数揺動状態のイオンで存在するSm、Ybから選ばれる少なくとも1種を含む、好ましくはAに価数揺動状態のイオンで存在するSmを含むことを特徴としている。 In the present invention, in the composition formula (A x B y ) S 3 , A includes at least one selected from Sm and Yb present in ions in a valence fluctuation state in order to cause hopping conduction behavior. Preferably, A includes Sm present in ions in a valence fluctuation state.

一方、Bに価数揺動状態ではないSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Luを含む、好ましくはBに価数揺動状態ではないイオンで存在するLa、Ce、Pr、Nd、Gdから選ばれる少なくとも1種を含む、さらに好ましくはBに価数揺動状態ではないイオンで存在するGdを含むことを特徴としている。   On the other hand, B includes Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu which are not in a valence fluctuation state, preferably B is not in a valence fluctuation state It is characterized in that it contains at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, and Gd present in ions, and more preferably contains Bd in ions that are not in a valence fluctuation state in B.

本発明では、組成式(A)Sにおいて、xの範囲は0.8以上で1.2以下でありyの範囲は0.8以上で1.3以下であり、好ましくはxの範囲は0.95以上で1.10以下でありyの範囲は0.95以上で1.15以下であることを特徴としている。 In the present invention, in the composition formula (A x B y ) S 3 , the range of x is 0.8 or more and 1.2 or less, and the range of y is 0.8 or more and 1.3 or less, preferably x Is in the range of 0.95 to 1.10 and y is in the range of 0.95 to 1.15.

本発明の熱電変換材料は500℃以上で使用できる。   The thermoelectric conversion material of the present invention can be used at 500 ° C. or higher.

本発明の熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子は、熱電変換材料として上記熱電変換材料から構成されていることを特徴としている。   The element for thermoelectric generation and the element for Peltier cooling of the present invention are characterized by being composed of the thermoelectric conversion material as a thermoelectric conversion material.

次に、実施例及び比較例を提示して、本発明について詳しく説明する。なお、以下に示す実施例及び比較例の説明は、発明の理解を容易にするためのものであり、これらの実施の形態の説明によって本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形及び他の実施条件等は、当然本発明含まれるものである。   Next, an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated in detail. In addition, description of the Example shown below and a comparative example is for making an understanding of invention easy, and this invention is not restrict | limited by description of these embodiment. In other words, modifications and other implementation conditions based on the technical idea of the present invention are naturally included in the present invention.

(実施例1)
実施例1として、価数揺動状態のイオンで存在するSmと価数揺動状態ではないイオンで存在するGdを含むSmGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.06以下)を作製して、その熱電変換特性を評価した。出発原料として、酸化サマリウムSmと酸化ガドリニウムGdを準備した。これら酸化物を別々に石英ボートに載せて、二硫化炭素ガスを用いて850℃の温度で8時間硫化することで、硫化サマリウムSmと硫化ガドリニウムGdを合成した。
Example 1
As Example 1, Sm x Gd y S 3 containing Sm present in ions in a valence fluctuation state and Gd existing in ions not in a valence fluctuation state (x is 1.00 and y is 1.00). Thus, the thermoelectric conversion characteristics were evaluated. As starting materials, samarium oxide Sm 2 O 3 and gadolinium oxide Gd 2 O 3 were prepared. These oxides were separately placed on a quartz boat, and samarium sulfide Sm 2 S 3 and gadolinium sulfide Gd 2 S 3 were synthesized by sulfiding with a carbon disulfide gas at a temperature of 850 ° C. for 8 hours.

次に、合成したSmとGd粉末、さらにGd量を調整するためにGdH粉末を混合しグラファイトボートに載せて、真空中にて1300℃の温度で2時間反応させることでSmGdを作製した。ここで、GdHを用いたのは、大気中での取り扱いが容易であり、かつ数百度程度で分解して、最終生成物に不要な水素をガスとして放出するためである。
最後に、この合成粉末をグラファイト型に充填して、真空中にて1200℃の温度と30MPaの圧力で2時間加圧焼結して、立方晶Th型の結晶構造を持つ緻密な焼結体を作製した。
Next, the synthesized Sm 2 S 3 and Gd 2 S 3 powders, and further GdH 3 powders are mixed in order to adjust the amount of Gd, placed on a graphite boat, and reacted at a temperature of 1300 ° C. for 2 hours in a vacuum. Thus, Sm x Gd y S 3 was produced. Here, GdH 3 was used because it is easy to handle in the atmosphere and decomposes at about several hundred degrees to release unnecessary hydrogen as a gas in the final product.
Finally, this synthetic powder is filled in a graphite mold and sintered under pressure at a temperature of 1200 ° C. and a pressure of 30 MPa for 2 hours in a vacuum to obtain a dense structure having a cubic Th 3 P 4 type crystal structure. A sintered body was produced.

作製した焼結体の格子定数を、X線回折法を用いて評価した。SmイオンがSm3+のみで存在する価数揺動状態ではないイオンで存在する場合に予想される格子定数は0.839nm程度である。しかし、実際の格子定数は0.844nm程度と予想値よりも大きい。この結果は、Smイオンの原子価が3+より低いことを意味しており、すなわちSm2+とSm3+の価数揺動状態にあることを示唆している。 The lattice constant of the produced sintered body was evaluated using an X-ray diffraction method. The expected lattice constant is about 0.839 nm when Sm ions are present only in Sm 3+ and not in a valence fluctuation state. However, the actual lattice constant is about 0.844 nm, which is larger than the expected value. This result means that the valence of the Sm ion is lower than 3+, that is, it is suggested that the valence fluctuation state of Sm 2+ and Sm 3+ exists.

作製した焼結体の熱電変換特性を、室温から680℃の温度範囲で評価した。作製した全ての焼結体において、ゼーベック係数は負の値(n型)を示した。図1に示す通り、温度が上昇するにつれてゼーベック係数の絶対値は増加して、一方で電気抵抗率は減少する。すなわち、SmGdはホッピング伝導的な振る舞いを示した。電気抵抗率のアレニウスプロットより、ホッピング伝導的な振る舞いの活性化エネルギーは0.14eVから0.19eVと求まった。
熱伝導率は、測定した温度範囲において0.5W/Kmから0.8W/Kmまでの値を示した。
The thermoelectric conversion characteristics of the produced sintered body were evaluated in a temperature range from room temperature to 680 ° C. In all the produced sintered bodies, the Seebeck coefficient showed a negative value (n-type). As shown in FIG. 1, as the temperature increases, the absolute value of the Seebeck coefficient increases while the electrical resistivity decreases. That is, Sm x Gd y S 3 exhibited a hopping conductive behavior. From the Arrhenius plot of the electrical resistivity, the activation energy of the hopping conductive behavior was found to be 0.14 eV to 0.19 eV.
The thermal conductivity showed values from 0.5 W / Km to 0.8 W / Km in the measured temperature range.

これらの結果、図2に示す通り、前記数1を用いて計算できる熱電性能指数は著しく増加した。SmGd1.02の場合、その熱電性能指数は、温度が上昇するにつれて室温の0.0003から680℃の0.3(室温の値の1000倍)へと高い値に著しく増加する。この熱電性能指数の著しい改善は、希土類硫化物において、熱電性能指数を向上させる効果的なホッピング伝導的な振る舞いを引き起こすことに成功したことを意味している。希土類硫化物の融点が2000℃程度であることを考慮に入れれば、この熱電性能指数はより高温で他の熱電変換材料を凌駕する値に達することが容易に理解できる。 As a result, as shown in FIG. 2, the thermoelectric figure of merit that can be calculated using Equation 1 was significantly increased. In the case of SmGd 1.02 S 3 , the thermoelectric figure of merit increases significantly from 0.0003 at room temperature to 0.3 at 680 ° C. (1000 times the value at room temperature) as the temperature increases. This significant improvement in the thermoelectric figure of merit means that in rare earth sulfides, it has succeeded in causing an effective hopping conductive behavior that improves the thermoelectric figure of merit. Considering that the melting point of the rare earth sulfide is about 2000 ° C., it can be easily understood that this thermoelectric figure of merit reaches a value that surpasses other thermoelectric conversion materials at higher temperatures.

(比較例1)
比較例1として、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を一切含まないLaGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.03以下)を作製して、その熱電変換特性を評価した。出発原料として、酸化ランタンLaと酸化ガドリニウムGdを準備した。これら酸化物を別々に石英ボートに載せて、二硫化炭素ガスを用いて850℃の温度で8時間硫化することで、硫化ランタンLaと硫化ガドリニウムGdを合成した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, La x Gd y S 3 (x is 1.00 and y is 1.00 or more and 1.03 or less) that does not contain any rare earth metal present in the valence fluctuation state of ions. The thermoelectric conversion characteristics were evaluated. As starting materials, lanthanum oxide La 2 O 3 and gadolinium oxide Gd 2 O 3 were prepared. Lanthanum sulfide La 2 S 3 and gadolinium sulfide Gd 2 S 3 were synthesized by placing these oxides separately on a quartz boat and sulfiding with a carbon disulfide gas at a temperature of 850 ° C. for 8 hours.

次に、合成したLa、Gd、GdH粉末を混合してグラファイトボートに載せて、真空中にて1300℃の温度で2時間反応させることでLaGdを作製した。最後に、この合成粉末をグラファイト型に充填して、真空中にて1200℃の温度と30MPaの圧力で2時間加圧焼結して、立方晶Th型の結晶構造を持つ緻密な焼結体を作製した。 Next, the synthesized La 2 S 3 , Gd 2 S 3 and GdH 3 powders are mixed and placed on a graphite boat, and La x Gd y S 3 is reacted at a temperature of 1300 ° C. for 2 hours in a vacuum. Produced. Finally, this synthetic powder is filled in a graphite mold and sintered under pressure at a temperature of 1200 ° C. and a pressure of 30 MPa for 2 hours in a vacuum to obtain a dense structure having a cubic Th 3 P 4 type crystal structure. A sintered body was produced.

作製した焼結体の格子定数を、X線回折法を用いて評価した。格子定数は、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を一切含まない場合に予想される値と一致した。すなわちこの結果は、作製したLaGdが、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を一切含まないことを示唆している。 The lattice constant of the produced sintered body was evaluated using an X-ray diffraction method. The lattice constant agreed with the value expected when no rare earth metal present in ions in the valence fluctuation state was included. That is, this result suggests that the produced La x Gd y S 3 does not contain any rare earth metal present in ions in a valence fluctuation state.

作製した焼結体の熱電変換特性を、室温から680℃の温度範囲で評価した。作製した全ての焼結体において、ゼーベック係数は負の値(n型)を示した。図3に示す通り、温度が上昇するにつれて、ゼーベック係数の絶対値と電気抵抗率は共に増加した。すなわち、LaGdは金属伝導的な振る舞いを示した。
熱伝導率は、測定した温度範囲において0.5W/Kmから1.3W/Kmまでの値を示した。
The thermoelectric conversion characteristics of the produced sintered body were evaluated in a temperature range from room temperature to 680 ° C. In all the produced sintered bodies, the Seebeck coefficient showed a negative value (n-type). As shown in FIG. 3, as the temperature increased, both the absolute value of the Seebeck coefficient and the electrical resistivity increased. That is, La x Gd y S 3 exhibited a metal conductive behavior.
The thermal conductivity showed values from 0.5 W / Km to 1.3 W / Km in the measured temperature range.

以上の結果から、図2に示す通り、熱電性能指数は緩やかに増加する。LaGd1.00の場合、その熱電性能指数は、温度が上昇するにつれて室温の0.04から680℃の0.2(室温の値の5倍)へと緩やかに増加する。実施例1に比べ、この温度に至るまで(低温)の熱電性能指数は高い。しかし、図3に示すように、さらに温度が上昇した場合には、電気抵抗率が高くなるだけで、低下することは考えられないので、図2に示すように、温度が上昇しても熱電性能指数の大きな増加は望めず、熱電変換材料として利用することは難しいと言える。 From the above results, as shown in FIG. 2, the thermoelectric figure of merit increases gradually. In the case of LaGd 1.00 S 3 , the thermoelectric figure of merit gradually increases from 0.04 at room temperature to 0.2 at 680 ° C. (5 times the value at room temperature) as the temperature increases. Compared to Example 1, the thermoelectric figure of merit up to this temperature (low temperature) is high. However, as shown in FIG. 3, when the temperature rises further, the electrical resistivity only increases and cannot be lowered. Therefore, as shown in FIG. A large increase in the figure of merit cannot be expected, and it can be said that it is difficult to use it as a thermoelectric conversion material.

これに対して、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属を使用した実施例1では、低温での熱電性能指数は低いが、680℃に至ると比較例1の熱電性能指数に比べて最大で1.5倍もの値に達する。この結果から、高温で本発明の熱電変換材料が有用であると言える。
さらに温度が上昇すると、より電気抵抗率が低下することが強く推定されるので、熱電変換材料として有用である。また、この傾向は、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属を上記の組成範囲で使用した場合の共通する特性と言える。さらに、低温での熱電性能指数は低いとしても、高温域での熱電性能指数が急上昇する本発明の熱電変換材料は、温度が上昇した場合に電気抵抗率が増加し、高温での熱電性能指数の増加が望めない従来型の熱電変換材料に比べて、はるかに有用であると言える。
On the other hand, in Example 1 using the rare earth metal existing in the valence fluctuation state and the rare earth metal existing in the valence fluctuation state, the thermoelectric figure of merit at a low temperature is low, but 680 When it reaches ° C., the value reaches 1.5 times as much as the thermoelectric figure of merit of Comparative Example 1. From this result, it can be said that the thermoelectric conversion material of the present invention is useful at a high temperature.
Further, when the temperature rises, it is strongly estimated that the electrical resistivity is further lowered, and thus it is useful as a thermoelectric conversion material. This tendency can be said to be a common characteristic when the rare earth metal existing in the valence fluctuation state and the rare earth metal existing in the valence fluctuation state are used in the above composition range. Furthermore, even if the thermoelectric figure of merit at low temperature is low, the thermoelectric conversion material of the present invention in which the thermoelectric figure of merit at a high temperature region rises rapidly increases the electrical resistivity when the temperature rises, and the thermoelectric figure of merit at high temperature It can be said that it is far more useful than conventional thermoelectric conversion materials that cannot be increased.

(比較例2)
酸化セリウムCeO、酸化プラセオジムPr11、酸化ネオジムNd、酸化ガドリニウムGdを出発原料として、これら酸化物を二硫化炭素ガスによって850℃の温度で8時間硫化することで、硫化セリウムCe、硫化プラセオジムPr、硫化ネオジムNd、硫化ガドリニウムGdを合成した。さらに、これら二元系の希土類硫化物とGdH粉末を混合して、真空中にて1300℃から1500℃の温度で1時間から2時間反応させることでCeGdS、PrGdS、NdGd(xは1.00でありyは1.00以上で1.08以下)を作製した。最後に、これら合成粉末を真空中にて1200℃から1400℃の温度と30MPaの圧力で1時間から2時間加圧焼結して、立方晶Th型の結晶構造を持つ緻密な焼結体を作製した。
(Comparative Example 2)
By using cerium oxide CeO 2 , praseodymium oxide Pr 6 O 11 , neodymium oxide Nd 2 O 3 , and gadolinium oxide Gd 2 O 3 as starting materials, these oxides are sulfided with carbon disulfide gas at a temperature of 850 ° C. for 8 hours. Cerium sulfide Ce 2 S 3 , praseodymium sulfide Pr 2 S 3 , neodymium sulfide Nd 2 S 3 , and gadolinium sulfide Gd 2 S 3 were synthesized. Further, these binary rare earth sulfides and GdH 3 powder are mixed and reacted at a temperature of 1300 ° C. to 1500 ° C. for 1 hour to 2 hours in a vacuum to obtain CeGdS 3 , PrGdS 3 , Nd x Gd y S 3 (x is 1.00 and y is 1.00 or more and 1.08 or less) was produced. Finally, these synthetic powders are pressure-sintered in vacuum at a temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. and a pressure of 30 MPa for 1 to 2 hours to obtain a dense sintered body having a cubic Th 3 P 4 type crystal structure. A ligature was prepared.

作製した焼結体の格子定数を、X線回折法を用いて評価した。全ての格子定数は、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を一切含まない場合に予想される値と一致した。すなわちこの結果は、作製したCeGdS、PrGdS、NdGdの全てが、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を一切含まないことを示唆している。 The lattice constant of the produced sintered body was evaluated using an X-ray diffraction method. All lattice constants agreed with the values expected when no rare earth metals present in ions in the valence fluctuation state were included. That is, this result suggests that all of the produced CeGdS 3 , PrGdS 3 , and Nd x Gd y S 3 do not contain any rare earth metal present in the valence fluctuation state ions.

作製したNdGd焼結体のゼーベック係数と電気抵抗率を、室温から680℃の温度範囲で評価した。作製した全ての焼結体において、ゼーベック係数は負の値(n型)を示した。さらに、温度が上昇するにつれて、ゼーベック係数の絶対値と電気抵抗率は共に増加した。すなわち、NdGdは金属伝導的な振る舞いを示し、高温で高い熱電性能指数は期待できない。 The Seebeck coefficient and electrical resistivity of the produced Nd x Gd y S 3 sintered body were evaluated in the temperature range from room temperature to 680 ° C. In all the produced sintered bodies, the Seebeck coefficient showed a negative value (n-type). Furthermore, as the temperature increased, both the absolute value of the Seebeck coefficient and the electrical resistivity increased. That is, Nd x Gd y S 3 exhibits a metal conductive behavior, and a high thermoelectric figure of merit cannot be expected at high temperatures.

本発明を上記実施例の材料を中心に説明したが、先に列挙した材料、すなわち組成式(A)S(Aは、Sm、Ybから選ばれる少なくとも1種であり、Bは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Luから選ばれる少なくとも1種であり、xの範囲は0.80以上で1.20以下であり、yの範囲は0.80以上で1.30以下であり、xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せる多元系の希土類硫化物において、同様に適用できる。すなわち、前記組成の条件において、Aに価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を少なくとも1種をxの範囲で0.80以上で1.20以下含み、Bに価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属を少なくとも1種をyの範囲で0.80以上で1.30以下含むことが重要であり、これらの条件が満たされる場合に、優れた熱電変換材料を得ることが可能となる。 Although the present invention has been described mainly with reference to the materials of the above-described examples, the materials listed above, that is, the composition formula (A x B y ) S 3 (A is at least one selected from Sm and Yb, and B is , Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu, and the range of x is 0.80 or more and 1.20 or less The range of y is 0.80 or more and 1.30 or less, and the range of the sum of x and y is 1.80 or more and 2.50 or less. it can. That is, under the above composition conditions, A contains at least one rare earth metal present in ions in a valence fluctuation state in the range of x from 0.80 to 1.20, and B in a valence fluctuation state. It is important to contain at least one rare earth metal present in the range of ions in the range of y from 0.80 to 1.30. When these conditions are satisfied, an excellent thermoelectric conversion material can be obtained. It becomes possible.

実施例として特に示さないが、実施例に示すものと同様の条件又は類似の条件で、すなわち価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属と価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属の種類と組成比率を、上記の範囲内で任意に設定することによって、全て実施できるものである。   Although not specifically shown as an example, a rare earth metal existing under the same or similar condition as that shown in the example, that is, a rare earth metal existing in a valence fluctuation state ion and an ion not in a valence fluctuation state All can be implemented by arbitrarily setting the type and composition ratio within the above range.

さらに、実施例として特に示さないが、本発明の熱電変換材料を熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子に利用できることは言うまでもない。   Furthermore, although not specifically shown as an Example, it cannot be overemphasized that the thermoelectric conversion material of this invention can be utilized for the element for thermoelectric power generation, and the element for Peltier cooling.

本発明の希土類硫化物は、価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属Aと価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属Bを含む組成式(A)S(xの範囲は0.80以上で1.20以下であり、yの範囲は0.80以上で1.30以下であり、xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せることを特徴としており、この多元系の希土類硫化物において熱電性能指数の向上に効果的なホッピング伝導的な振る舞いを引き起こすことが可能になり、さらに希土類硫化物とホッピング伝導的な振る舞いの持っている利点をお互いに効果的に高めあうことができて、高温の熱電性能指数を改善できるという大きな効果を有するので熱電変換材料として有用であり、さらに、熱電発電用素子及びペルチェ冷却用素子に有用である。 The rare earth sulfide of the present invention has a composition formula (A x B y ) S 3 (x) including a rare earth metal A present in ions in a valence fluctuation state and a rare earth metal B present in ions not in a valence fluctuation state. Is in the range of 0.80 to 1.20, y is in the range of 0.80 to 1.30, and x and y are in the range of 1.80 to 2.50. It is possible to cause a hopping conductive behavior that is effective in improving the thermoelectric figure of merit in this multi-element rare earth sulfide, and the hopping conductive behavior of the rare earth sulfide. It is useful as a thermoelectric conversion material because it has the great effect that it can effectively enhance each other's advantages and improve the high temperature thermoelectric figure of merit, and it is also useful for thermoelectric power generation elements and Peltier cooling It is useful to the child.

Claims (7)

組成式(Axy)S3(Aは、Sm、Ybから選ばれる少なくとも1種であり、Bは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Luから選ばれる少なくとも1種であり、xの範囲は0.80以上で1.20以下であり、yの範囲は0.80以上で1.30以下であり、xとyを足した値の範囲は1.80以上で2.50以下)で表せる希土類硫化物で、Aに価数揺動状態のイオンで存在する希土類金属を少なくとも1種含み、Bに価数揺動状態ではないイオンで存在する希土類金属を少なくとも1種含むことを特徴とする熱電変換材料。 Formula (A x B y) S 3 (A is, Sm, at least one selected from Yb, B is, Sc, Y, La, Ce , Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er , Tm, and Lu. The range of x is 0.80 or more and 1.20 or less, and the range of y is 0.80 or more and 1.30 or less. Range of 1.80 to 2.50), A contains at least one rare earth metal present in ions in the valence fluctuation state, and B in the valence fluctuation state. A thermoelectric conversion material comprising at least one rare earth metal present in the form of no ions. 組成式(Axy)S3のAが価数揺動状態のイオンで存在するSmであることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。 Formula (A x B y) thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the A of S 3 is Sm present in the valence fluctuation state ions. Bが価数揺動状態ではないイオンで存在するLa、Ce、Pr、Nd、Gdから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1又は2記載の熱電変換材料。   3. The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein B is at least one selected from La, Ce, Pr, Nd, and Gd existing in ions that are not in a valence fluctuation state. Bが価数揺動状態ではないイオンで存在するGdであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3, wherein B is Gd present in ions that are not in a valence fluctuation state. 組成式(Axy)S3のxの範囲は0.95以上で1.10以下であり、yの範囲は0.95以上で1.15以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の熱電変換材料。 Range of x composition formula (A x B y) S 3 is 1.10 or less than 0.95, according to claim 1 y ranges is characterized in that 1.15 or less than 0.95 5 to 4. The thermoelectric conversion material according to any one of items 1 to 4. 請求項1からのいずれか一項に記載のいずれかの熱電変換材料を利用した熱電発電用素子。 The element for thermoelectric power generation using the thermoelectric conversion material in any one of Claim 1 to 5 . 請求項1からのいずれか一項に記載のいずれかの熱電変換材料を利用したペルチェ冷却用素子。
The element for Peltier cooling using the thermoelectric conversion material in any one of Claim 1 to 5 .
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