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JP7640223B2 - Thermoelectric conversion materials, thermoelectric conversion elements, and sulfides - Google Patents
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JP7640223B2 - Thermoelectric conversion materials, thermoelectric conversion elements, and sulfides - Google Patents

Thermoelectric conversion materials, thermoelectric conversion elements, and sulfides Download PDF

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特許法第30条第2項適用 日本化学会第99春季年会の予稿集として公開 掲載年月日:平成31年3月1日、掲載アドレス:https://nenkai.csj.jp/Proceeding/?year=2019Applicable to Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Published as a proceedings of the 99th Spring Annual Meeting of the Chemical Society of Japan. Date of publication: March 1, 2019, URL: https://nenkai.csj.jp/Proceeding/?year=2019

特許法第30条第2項適用 日本化学会第99春季年会(甲南大学岡本キャンパスで開催)にて発表、発表日:平成31年3月16日Applicable to Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Presented at the 99th Spring Annual Meeting of the Chemical Society of Japan (held at Konan University Okamoto Campus), presentation date: March 16, 2019.

特許法第30条第2項適用 第38回熱電国際会議、第4回熱電アジア会議の予稿集として公開 掲載年月日:令和1年6月29日、掲載アドレス:http://ict2019.kr/pages.php?p=2_4_1_1Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied. Published as a proceedings of the 38th International Thermoelectric Conference and the 4th Asian Thermoelectric Conference. Date of publication: June 29, 2019, Address: http://ict2019. kr/pages. php? p=2_4_1_1

特許法第30条第2項適用 第38回熱電国際会議、第4回熱電アジア会議(韓国Hwabaek国際コンベンションセンターで開催)にて発表 発表日:令和1年7月2日Patent Law Article 30, Paragraph 2 applied. Presented at the 38th International Thermoelectric Conference and the 4th Asian Thermoelectric Conference (held at Hwabaek International Convention Center, Korea) Presentation date: July 2, 2019

本発明は、熱電変換材料、熱電変換素子、及び硫化物に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion element, and a sulfide.

近年、硫化物は、熱電変換材料及び太陽電池材料等の半導体材料として特に注目されている。太陽電池材料は、紫外線、可視光線、又は赤外線等の光を吸収し、光起電力効果により光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料である。太陽電池材料としては、シリコン又はガリウムヒ素等を含む材料が実用化されている。一方、近年では、銅-インジウム-セレン硫化物(CIS)又は銅-亜鉛-スズ硫化物(CZTS)等の硫化物材料の太陽電池材料への適用に関する研究も盛んである。また、非特許文献1及び2にはそれぞれCu3AlSnS5及びCu3InSnS5のナノ粒子の合成方法が記載されており、筆者らは太陽電池への応用を考え、それらの材料の紫外可視近赤外吸収スペクトル及び電流電圧曲線を測定している。 In recent years, sulfides have been attracting particular attention as semiconductor materials such as thermoelectric conversion materials and solar cell materials. Solar cell materials are materials that absorb light such as ultraviolet light, visible light, or infrared light, and convert light energy into electrical energy by the photovoltaic effect. Materials containing silicon or gallium arsenide have been put to practical use as solar cell materials. Meanwhile, in recent years, research on the application of sulfide materials such as copper-indium-selenium sulfide (CIS) or copper-zinc-tin sulfide (CZTS) to solar cell materials has also been active. In addition, Non-Patent Documents 1 and 2 describe methods for synthesizing nanoparticles of Cu 3 AlSnS 5 and Cu 3 InSnS 5 , respectively, and the authors have considered the application to solar cells and measured the ultraviolet-visible-near infrared absorption spectra and current-voltage curves of these materials.

熱電変換材料は、ゼーベック効果により材料両端の温度差によって電圧を生じさせ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、又は、ペルチェ効果により電気エネルギーによって温度差を生じさせる材料である。近年、特に熱電変換材料として、銅とその他の金属を含む硫化物が注目されている。例えば、非特許文献3及び4には、それぞれ、コルーサイト構造を有するCu262632(M=Ge,Sn)及びコルーサイト構造を有するCu262632の熱電特性が報告されている。また、特許文献1には、所定の結晶構造を有し、銅と、第1遷移元素又はpブロック元素である、銅以外の少なくとも1つの金属とを主成分として含む複合金属硫化物でできた、熱電変換材料が記載されている。また、非特許文献5では、Cu2SnS3を母構造とし、Cu又はSnの一部をAlによって置換したCu5AlSn28の熱電特性が第一原理計算により予想されている。 A thermoelectric conversion material is a material that generates a voltage due to a temperature difference between both ends of a material by the Seebeck effect, converts thermal energy into electrical energy, or generates a temperature difference by electrical energy by the Peltier effect. In recent years, sulfides containing copper and other metals have been attracting attention as thermoelectric conversion materials. For example, Non-Patent Documents 3 and 4 report the thermoelectric properties of Cu 26 V 2 M 6 S 32 (M=Ge, Sn) having a corrucite structure and Cu 26 V 2 M 6 S 32 having a corrucite structure, respectively. In addition, Patent Document 1 describes a thermoelectric conversion material made of a composite metal sulfide having a predetermined crystal structure and containing copper and at least one metal other than copper, which is a first transition element or a p-block element, as a main component. In addition, in Non-Patent Document 5, the thermoelectric properties of Cu 5 AlSn 2 S 8 , which has a base structure of Cu 2 SnS 3 and in which part of Cu or Sn is replaced by Al, are predicted by first-principles calculations.

非特許文献6には、Cu2Tl2SnS4の熱伝導率が300Kにおいて0.6W/(m・K)であることが記載されている。 Non-Patent Document 6 describes that the thermal conductivity of Cu 2 Tl 2 SnS 4 is 0.6 W/(m·K) at 300K.

特開2016-48730号公報JP 2016-48730 A

ChemPlusChem,(独), 2015, Vol.80, 652-655ChemPlusChem, (Germany), 2015, Vol.80, 652-655 CrystEngComm,(英), 2013, Vol.15, p.10459-10463CrystEngComm,(Eng), 2013, Vol.15, p.10459-10463 Applied Physics Letters, (米), 2014, Vol.105, 132107Applied Physics Letters, (US), 2014, Vol.105, 132107 Journal of Applied Physics, (米), 2014, Vol.116, 063706Journal of Applied Physics, (US), 2014, Vol.116, 063706 Journal of Electronic Materials,(米), 2016, Vol. 45, No.3, p. 1453-1458Journal of Electronic Materials, (US), 2016, Vol. 45, No.3, p. 1453-1458 Chemistry of Materials,(米), 2005, Vol.17, No. 11, p. 2875-2884Chemistry of Materials,(US), 2005, Vol.17, No. 11, p. 2875-2884

特許文献1及び非特許文献3~6によれば、Cuと、Snと、Al、Zn、及びInの少なくとも1つと、を有する硫化物を含有している特定の熱電変換材料は記載されていない。加えて、非特許文献1及び2には、Cu3AlSnS5及びCu3InSnS5の熱電特性に関する測定結果は記載されていない。 Patent Document 1 and Non-Patent Documents 3 to 6 do not disclose a specific thermoelectric conversion material containing a sulfide having Cu, Sn, and at least one of Al, Zn, and In. In addition, Non-Patent Documents 1 and 2 do not disclose any measurement results regarding the thermoelectric properties of Cu 3 AlSnS 5 and Cu 3 InSnS 5 .

このような事情を踏まえて、本発明は、Cuと、Snと、Al、Zn、及びInの少なくとも1つと、を有する特定の組成の硫化物を含有している熱電変換材料を提供する。また、本発明は、Cuと、Snと、Al、Zn、In、及びGaの少なくとも1つと、を有する特定の組成の硫化物を含有している熱電変換材料を提供する。また、本発明は、熱電変換及び太陽電池等のエネルギー変換に使用されうる新規な硫化物を提供する。 In light of these circumstances, the present invention provides a thermoelectric conversion material containing a sulfide of a specific composition having Cu, Sn, and at least one of Al, Zn, and In. The present invention also provides a thermoelectric conversion material containing a sulfide of a specific composition having Cu, Sn, and at least one of Al, Zn, In, and Ga. The present invention also provides a novel sulfide that can be used for thermoelectric conversion and energy conversion such as solar cells.

本発明は、
Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有し、
Mは、Al、In、及びZnから選ばれる少なくとも1つの元素であり、
Dは、Cu、Al、In、Zn、及びSn以外の金属元素であり、
a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値であり、
MがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、
MがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である、硫化物を含有している、
熱電変換材料を提供する。
The present invention relates to
Cu ha M ib Sn jc D a+b+c S k ,
M is at least one element selected from Al, In, and Zn;
D is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, and Sn;
a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2 are satisfied, and k is a value that maintains electrical neutrality;
When M contains Zn, 0≦a+b+c≦0.2;
When M does not contain Zn, it contains sulfides, where 0≦a+b+c≦0.5;
A thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有し、
Zは、Cu、Al、In、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を含有している、
熱電変換材料を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc Z a+b1+b2+c S k ,
Z is a metal element other than Cu, Al, In, and Sn;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality;
A thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有し、
Tは、Cu、Al、Zn、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を含有している、
熱電変換材料を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc T a+b3+b4+c S k ,
T is a metal element other than Cu, Al, Zn, and Sn;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality;
A thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有し、
Rは、Al、In、Zn、及びGaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、
Eは、Cu、Al、In、Zn、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値であり、
RがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、
RがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である、硫化物を含有している、
熱電変換材料を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k ,
R is at least one element selected from Al, In, Zn, and Ga;
E is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, Ga, and Sn;
a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2 are satisfied, and k is a value that maintains electrical neutrality;
When R contains Zn, 0≦a+b+c≦0.2;
If R does not contain Zn, then 0≦a+b+c≦0.5, and it contains sulfides.
A thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有し、
Jは、Cu、Al、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を含有している、
熱電変換材料を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k ,
J is a metal element other than Cu, Al, Ga, and Sn;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality;
A thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
上記の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
A thermoelectric conversion element including the above thermoelectric conversion material is provided.

また、本発明は、
Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有し、
Mは、Al、In、及びZnから選ばれる少なくとも1つの元素であるとともに、Znを含み、
Dは、Cu、Al、In、Zn、及びSn以外の金属元素であり、
a≧0、b≧0、c≧0、0≦a+b+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値であり、
硫化物を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha M ib Sn jc D a+b+c S k ,
M is at least one element selected from Al, In, and Zn, and contains Zn;
D is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, and Sn;
a≧0, b≧0, c≧0, 0≦a+b+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2 are satisfied, and k is a value that maintains electrical neutrality,
Provide sulfides.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有し、
Zは、Cu、Al、In、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc Z a+b1+b2+c S k ,
Z is a metal element other than Cu, Al, In, and Sn;
Provided is a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有し、
Tは、Cu、Al、Zn、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc T a+b3+b4+c S k ,
T is a metal element other than Cu, Al, Zn, and Sn;
Provided is a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality.

また、本発明は、
Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有し、
Rは、Al、In、Zn、及びGaから選ばれる少なくとも1つの元素であるとともに、Gaを含み、
Eは、Cu、Al、In、Zn、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値であり、
RがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、
RがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である、
硫化物を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k ,
R is at least one element selected from Al, In, Zn, and Ga, and contains Ga;
E is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, Ga, and Sn;
a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2 are satisfied, and k is a value that maintains electrical neutrality;
When R contains Zn, 0≦a+b+c≦0.2;
When R does not contain Zn, 0≦a+b+c≦0.5.
Provide sulfides.

また、本発明は、
Cuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有し、
Jは、Cu、Al、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは電気的中性を保つ値である、硫化物を提供する。
The present invention also provides a method for producing a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k ,
J is a metal element other than Cu, Al, Ga, and Sn;
Provided is a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains electrical neutrality.

上記の熱電変換材料は、Cuと、Snと、Al、Zn、及びInの少なくとも1つと、を有する硫化物を含有しており、又は、Cuと、Snと、Al、Zn、In、及びGaの少なくとも1つと、を有する硫化物を含有しており、所望の熱電特性を有している。また、上記の硫化物は、熱電変換材料等のエネルギー変換のための材料として利用できる。 The above thermoelectric conversion material contains a sulfide having Cu, Sn, and at least one of Al, Zn, and In, or contains a sulfide having Cu, Sn, and at least one of Al, Zn, In, and Ga, and has desired thermoelectric properties. In addition, the above sulfide can be used as a material for energy conversion such as a thermoelectric conversion material.

図1Aは、本発明に係る熱電変換素子の一例を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of a thermoelectric conversion element according to the present invention. 図1Bは、本発明に係る熱電変換素子の別の一例を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing another example of a thermoelectric conversion element according to the present invention. 図2Aは、実施例1に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2A is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 1. 図2Bは、実施例2に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2B is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 2. 図2Cは、実施例3に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2C is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 3. 図2Dは、実施例4に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2D is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 4. 図2Eは、実施例5に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2E is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 5. 図2Fは、実施例6に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2F is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 6. 図2Gは、実施例7に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2G is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 7. 図2Hは、実施例8に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2H is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 8. 図2Iは、実施例9に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2I is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 9. 図2Jは、実施例10に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 2J is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the powder of Example 10. 図3Aは、実施例1に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 1. 図3Bは、実施例2に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3B is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 2. 図3Cは、実施例3に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3C is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 3. 図3Dは、実施例4に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3D is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 4. 図3Eは、実施例5に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3E is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 5. 図3Fは、実施例6に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3F is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 6. 図3Gは、実施例7に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3G is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 7. 図3Hは、実施例8に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 3H is a graph showing the X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 8. 図4Aは、実施例1に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 1. 図4Bは、実施例2に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4B is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 2. 図4Cは、実施例3に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4C is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 3. 図4Dは、実施例4に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4D is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 4. 図4Eは、実施例5に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4E is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 5. 図4Fは、実施例6に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4F is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 6. 図4Gは、実施例7に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4G is a graph showing the change in thermal conductivity of the sample according to Example 7 with respect to temperature. 図4Hは、実施例8に係るサンプルの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 4H is a graph showing the temperature change in thermal conductivity of the sample according to Example 8. 図5Aは、実施例1に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing the temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 1. 図5Bは、実施例2に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5B is a graph showing the temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 2. 図5Cは、実施例3に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5C is a graph showing the temperature change in electrical conductivity of the sample according to Example 3. 図5Dは、実施例4に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5D is a graph showing the temperature change in electrical conductivity of the sample according to Example 4. 図5Eは、実施例5に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5E is a graph showing the temperature change in electrical conductivity of the sample according to Example 5. 図5Fは、実施例6に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5F is a graph showing the temperature change in electrical conductivity of the sample according to Example 6. 図5Gは、実施例7に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5G is a graph showing the change in electrical conductivity with temperature of the sample according to Example 7. 図5Hは、実施例8に係るサンプルの電気伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 5H is a graph showing the change in electrical conductivity with temperature of the sample according to Example 8. 図6Aは、実施例1に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6A is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 1. 図6Bは、実施例2に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6B is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 2. 図6Cは、実施例3に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6C is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 3. 図6Dは、実施例4に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6D is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 4. 図6Eは、実施例5に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6E is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 5. 図6Fは、実施例6に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6F is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 6. 図6Gは、実施例7に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6G is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 7. 図6Hは、実施例8に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 6H is a graph showing the temperature change of the Seebeck coefficient and the power factor of the sample according to Example 8. 図7Aは、実施例1に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7A is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 1. 図7Bは、実施例2に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7B is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 2. 図7Cは、実施例3に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7C is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 3. 図7Dは、実施例4に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7D is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 4. 図7Eは、実施例5に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7E is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 5. 図7Fは、実施例6に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7F is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 6. 図7Gは、実施例7に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7G is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 7. 図7Hは、実施例8に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 7H is a graph showing the dimensionless figure of merit of the sample according to Example 8. 図8Aは、実施例1に係る粉末の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。FIG. 8A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the powder according to Example 1. 図8Bは、実施例3に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8B is a TEM photograph of the powder according to Example 3. 図8Cは、実施例4に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8C is a TEM photograph of the powder according to Example 4. 図8Dは、実施例5に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8D is a TEM photograph of the powder according to Example 5. 図8Eは、実施例6に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8E is a TEM photograph of the powder of Example 6. 図8Fは、実施例7に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8F is a TEM photograph of the powder according to Example 7. 図8Gは、実施例8に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8G is a TEM photograph of the powder of Example 8. 図8Hは、実施例9に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8H is a TEM photograph of the powder of Example 9. 図8Iは、実施例10に係る粉末のTEM写真である。FIG. 8I is a TEM photograph of the powder of Example 10.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。 The following describes an embodiment of the present invention. Note that the following description is an example of the present invention, and the present invention is not limited to this.

<熱電変換材料>
本発明に係る熱電変換材料は、Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する硫化物を含有している。ここで、Mは、Al、In、及びZnから選ばれる少なくとも1つの元素である。Dは、Cu、Al、In、Zn、及びSn以外の金属元素である。Dは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。さらに、MがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、MがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である。本発明者らは、多大な試行錯誤を重ねた結果、このような組成を有する硫化物を含有する材料が所望の熱電特性を発揮することを新たに見出した。
<Thermoelectric conversion materials>
The thermoelectric conversion material according to the present invention contains a sulfide having a composition represented by Cu ha M ib Sn jc D a+b+c S k . Here, M is at least one element selected from Al, In, and Zn. D is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, and Sn. D may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5. Furthermore, when M contains Zn, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.2, and when M does not contain Zn, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.5. As a result of extensive trial and error, the present inventors have newly discovered that a material containing a sulfide having such a composition exhibits desired thermoelectric properties.

前記硫化物においてMは、Al、In、及びZnから選ばれる1つのみの元素を含んでいてもよく、Al、In、及びZnから選ばれる2つ以上の元素を含んでいてもよい。 In the sulfide, M may contain only one element selected from Al, In, and Zn, or may contain two or more elements selected from Al, In, and Zn.

Mは、例えば、Znを含む。この場合、熱電変換材料のバンドギャップが狭くなり、低温領域において高い熱電性能を示すことが期待できる。また、Znの量を調整することで、価電子帯のバンド端における電子密度が大きくなり、熱電変換材料のゼーベック係数が高くなりやすいと考えられる。 M includes, for example, Zn. In this case, the band gap of the thermoelectric conversion material is narrowed, and it is expected that the thermoelectric conversion material will exhibit high thermoelectric performance in the low temperature range. In addition, it is believed that by adjusting the amount of Zn, the electron density at the edge of the valence band increases, making it easier to increase the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material.

前記硫化物において、Dは、例えば、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つである。Dは、Gaであってもよい。 In the sulfide, D is, for example, at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Ni. D may also be Ga.

前記硫化物は、Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有していてもよい。ここで、Aは、Cu、Al、In、及びSn以外の金属元素である。Aは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。 The sulfide may have a composition represented by Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc A a+b1+b2+c S k . Here, A is a metal element other than Cu, Al, In, and Sn. A may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5.

Aは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。Aは、Gaであってもよい。 A is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Zn. A may also be Ga.

前記硫化物は、Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有していてもよい。Qは、Cu、Al、Zn、及びSn以外の金属元素である。0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。kは電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。 The sulfide may have a composition represented by Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc Q a+b3+b4+c S k . Q is a metal element other than Cu, Al, Zn, and Sn. 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2 are satisfied. k is a value that maintains electrical neutrality. k is, for example, 5.

Qは、例えば、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。Qは、Gaであってもよい。 Q is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Ni. Q may be Ga.

前記硫化物は、典型的には、h+i+j=5.0を満たす。前記硫化物は、例えば、h=3.0、i=1.0、及びj=1.0を満たす。前記硫化物は、望ましくは、Cu3AlxIn1-xSnS5で表される組成を有する。ここで、0≦x≦1が満たされる。前記硫化物は、Cu3AlSnS5で表される組成を有していてもよいし、Cu3InSnS5で表される組成を有していてもよい。前記硫化物は、望ましくは、Cu3AlxZn1-xSnS5で表される組成を有していてもよい。ここで、0≦x≦1が満たされる。この場合、前記硫化物は、Cu3ZnSnS5で表される組成を有していてもよい。 The sulfide typically satisfies h+i+j=5.0. The sulfide satisfies, for example, h=3.0, i=1.0, and j = 1.0. The sulfide desirably has a composition represented by Cu3AlxIn1 -xSnS5 . Here, 0≦x≦1 is satisfied. The sulfide may have a composition represented by Cu3AlSnS5 or may have a composition represented by Cu3InSnS5 . The sulfide desirably may have a composition represented by Cu3AlxZn1 -xSnS5 . Here , 0≦x≦ 1 is satisfied. In this case, the sulfide may have a composition represented by Cu3ZnSnS5 .

別の観点から、本発明に係る熱電変換材料は、Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する硫化物を含有している材料であってもよい。Zは、Cu、Al、In、及びSn以外の金属元素である。Zは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。本発明者らは、多大な試行錯誤を重ねた結果、このような材料も所望の熱電特性を発揮することを新たに見出した。 From another viewpoint, the thermoelectric conversion material according to the present invention may be a material containing a sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc Z a+b1+b2+c S k . Z is a metal element other than Cu, Al, In, and Sn. Z may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5. As a result of extensive trial and error, the present inventors have newly discovered that such a material also exhibits the desired thermoelectric properties.

Zは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、及びGaからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。この硫化物は、典型的には、h+i+j=5.0を満たす。この硫化物は、例えば、h=3.0、i=1.0、及びj=1.0を満たす。 Z is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Zn, and Ga. This sulfide typically satisfies h+i+j=5.0. This sulfide typically satisfies h=3.0, i=1.0, and j=1.0.

別の観点から、本発明に係る熱電変換材料は、Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有する硫化物を含有している材料であってもよい。Tは、Cu、Al、Zn、及びSn以外の金属元素である。Tは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。本発明者らは、多大な試行錯誤を重ねた結果、このような材料も所望の熱電特性を発揮することを新たに見出した。 From another viewpoint, the thermoelectric conversion material according to the present invention may be a material containing a sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc T a+b3+b4+c S k . T is a metal element other than Cu, Al, Zn, and Sn. T may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5. As a result of extensive trial and error, the present inventors have newly discovered that such a material also exhibits the desired thermoelectric properties.

Tは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、及びGaからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。この硫化物は、典型的には、h+i+j=5.0を満たす。この硫化物は、例えば、h=3.0、i=1.0、及びj=1.0を満たす。 T is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Ga. This sulfide typically satisfies h+i+j=5.0. This sulfide typically satisfies h=3.0, i=1.0, and j=1.0.

別の観点から、本発明に係る熱電変換材料は、Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する硫化物を含有している材料であってもよい。Rは、Al、In、Zn、及びGaから選ばれる少なくとも1つの元素である。Eは、Cu、Al、In、Zn、Ga、及びSn以外の金属元素である。Eは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。さらに、RがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、RがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である。本発明者らは、多大な試行錯誤を重ねた結果、このような材料も所望の熱電特性を発揮することを新たに見出した。 From another viewpoint, the thermoelectric conversion material according to the present invention may be a material containing a sulfide having a composition represented by Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k . R is at least one element selected from Al, In, Zn, and Ga. E is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, Ga, and Sn. E may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5. Furthermore, when R contains Zn, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.2, and when R does not contain Zn, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.5. The present inventors, after much trial and error, have newly discovered that such materials also exhibit the desired thermoelectric properties.

Eは、例えば、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 E is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Ni.

別の観点から、本発明に係る熱電変換材料は、Cuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する硫化物を含有している材料であってもよい。Jは、Cu、Al、Ga、及びSn以外の金属元素である。Jは、1種類の元素であってもよいし、複数種類の元素であってもよい。硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。加えて、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。kは、例えば5である。発明者らは、多大な試行錯誤を重ねた結果、このような材料も所望の熱電特性を発揮することを新たに見出した。 From another viewpoint, the thermoelectric conversion material according to the present invention may be a material containing a sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k . J is a metal element other than Cu, Al, Ga, and Sn. J may be one type of element or multiple types of elements. The sulfide satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide. k is, for example, 5. As a result of extensive trial and error, the inventors have newly discovered that such a material also exhibits the desired thermoelectric properties.

Jは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 J is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Zn.

Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する硫化物及びCuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する硫化物は、典型的には、h+i+j=5.0を満たす。硫化物は、例えば、h=3.0、i=1.0、及びj=1.0を満たす。前記硫化物は、望ましくは、Cu3AlxGa1-xSnS5で表される組成を有する。ここで、0≦x≦1が満たされる。硫化物は、Cu3GaSnS5で表される組成を有していてもよい。 The sulfide having a composition represented by Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k and the sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k typically satisfy h+i+j=5.0. The sulfide, for example, satisfies h=3.0, i=1.0, and j=1.0. The sulfide desirably has a composition represented by Cu 3 Al x Ga 1-x SnS 5. Here, 0≦x≦1 is satisfied. The sulfide may have a composition represented by Cu 3 GaSnS 5 .

前記硫化物は、望ましくは、主としてアニオンが四面体状に配置された結晶構造を有する。アニオンが四面体状に配置された構造として、例えば、閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構造、及び逆蛍石型構造等の結晶構造が挙げられる。硫化物は、より望ましくは、閃亜鉛鉱型構造及びウルツ鉱型構造の少なくとも1つの結晶構造を有する。閃亜鉛鉱型の結晶構造は、アニオンの立方最密充填格子を広げた構造であり、アニオンからなる四面体の空隙のうちの半分がカチオンで占められた構造である。そのため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において、カチオンサイトが大きさの異なる元素で置換されたとしても、カチオンで占有されていない残り半分の空隙が構造の歪を緩衝する。このため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において特定の割合以下の元素がカチオンを置換できると考えられる。また、閃亜鉛鉱型構造は、同じ元素から構成されているチオスピネル型の結晶構造を有する硫化物と比べて、高い電気伝導率を有しやすく、熱電変換材料として有利な特性を有する。なお、閃亜鉛鉱型類似の構造として、コルーサイト型構造、ジャーマナイト型構造、スタンナイト型構造、及びケステライト型構造等の構造が挙げられる。これらの構造もアニオンが四面体状に配置された構造である。 The sulfide preferably has a crystal structure in which anions are mainly arranged tetrahedronally. Examples of the structure in which anions are arranged tetrahedronally include a zinc blende structure, a wurtzite structure, and an inverse fluorite structure. More preferably, the sulfide has at least one crystal structure of a zinc blende structure and a wurtzite structure. The zinc blende crystal structure is a structure in which a cubic close-packed lattice of anions is expanded, and half of the vacancies of the tetrahedrons consisting of anions are occupied by cations. Therefore, even if the cation sites are replaced by elements of different sizes in the zinc blende crystal structure, the remaining half of the vacancies not occupied by cations buffers the distortion of the structure. For this reason, it is considered that elements of a certain ratio or less can replace cations in the zinc blende crystal structure. In addition, the zinc blende structure is more likely to have a high electrical conductivity than sulfides having a thiospinel crystal structure composed of the same elements, and has advantageous properties as a thermoelectric conversion material. Examples of structures similar to zinc blende include the corrucite structure, germanite structure, stannite structure, and kesterite structure. These structures also have anions arranged in a tetrahedral shape.

前記熱電変換材料において、前記硫化物は、例えば、焼結されている。これにより、硫化物が熱電変換材料として所望の特性を有しやすい。加えて、熱電変換材料を所定の形状に成形でき、熱電変換素子の製造において熱電変換材料を扱いやすい。 In the thermoelectric conversion material, the sulfide is, for example, sintered. This makes it easier for the sulfide to have the desired properties as a thermoelectric conversion material. In addition, the thermoelectric conversion material can be molded into a predetermined shape, making it easier to handle the thermoelectric conversion material in the manufacture of thermoelectric conversion elements.

前記熱電変換材料は、例えば、373~673Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有する。 The thermoelectric conversion material has, for example, a lattice thermal conductivity of 1.3 W/(m·K) or less at 373 to 673 K.

熱電変換材料の性能を示す指標として下記の式(1)で定義される無次元性能指数ZTが知られている。ここで、Sはゼーベック係数を示し、σは電気伝導率を示し、Tは絶対温度を示し、κは熱伝導率を示す。式(1)に示す通り、無次元性能指数ZTを高めるためには、熱伝導率κが低いことが有利である。
ZT=S2σT/κ (1)
The dimensionless figure of merit ZT defined by the following formula (1) is known as an index showing the performance of a thermoelectric conversion material. Here, S represents the Seebeck coefficient, σ represents the electrical conductivity, T represents the absolute temperature, and κ represents the thermal conductivity. As shown in formula (1), in order to increase the dimensionless figure of merit ZT, it is advantageous for the thermal conductivity κ to be low.
ZT=S 2 σT/κ (1)

一方、熱伝導率κは、下記の式(2)に示す通り、キャリア熱伝導率κcarと格子熱伝導率κlatとの和で表される。キャリア熱伝導率κcarは、Wiedemann-Franzの法則として知られている式(3)のように表される。ここで、Lは、ローレンツ数であり、金属材料に対しては定数として扱うことができるが、半導体材料では金属材料で用いられる定数よりも小さくなることが知られており、Applied Physics Letters, (米), 2015, Vol.3, 041506によれば、式(4)のようにLを定めることが提唱されている。式(4)におけるSは、ゼーベック係数である。
κ=κcar+κlat (2)
κcar=LσT (3)
L=1.5+exp(-│S│/116) (4)
On the other hand, the thermal conductivity κ is expressed as the sum of the carrier thermal conductivity κcar and the lattice thermal conductivity κlat, as shown in the following formula (2). The carrier thermal conductivity κcar is expressed as formula (3), which is known as the Wiedemann-Franz law. Here, L is the Lorentz number, which can be treated as a constant for metal materials, but it is known that it is smaller than the constant used for metal materials in semiconductor materials, and according to Applied Physics Letters, (US), 2015, Vol.3, 041506, it is proposed to define L as shown in formula (4). S in formula (4) is the Seebeck coefficient.
κ = κcar + κlat (2)
κcar=LσT (3)
L=1.5+exp(-│S│/116) (4)

このように、キャリア熱伝導率κcarが低いと電気伝導率σも低い傾向にあり、キャリア熱伝導率κcarが低いことは無次元性能指数ZTを高める観点から必ずしも有利であるとは限らない。一方、格子熱伝導率κlatは、電気伝導率σと正比例の関係にはなく、格子熱伝導率κlatが低いことは無次元性能指数ZTを高める観点から有利である。 As such, when the carrier thermal conductivity κcar is low, the electrical conductivity σ also tends to be low, and a low carrier thermal conductivity κcar is not necessarily advantageous from the perspective of increasing the dimensionless figure of merit ZT. On the other hand, the lattice thermal conductivity κlat is not directly proportional to the electrical conductivity σ, and a low lattice thermal conductivity κlat is advantageous from the perspective of increasing the dimensionless figure of merit ZT.

以下の硫化物は、熱電変換材料以外の用途で使用されてもよい。その硫化物は、Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する。ここで、Mは、Al、In、及びZnから選ばれる少なくとも1つの元素であるとともに、Znを含む。加えて、Dは、Cu、Al、In、Zn、及びSn以外の金属元素である。この硫化物は、a≧0、b≧0、c≧0、0≦a+b+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。また、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。 The following sulfides may be used for applications other than thermoelectric conversion materials. The sulfides have a composition represented by Cu ha M ib Sn jc D a+b+c S k . Here, M is at least one element selected from Al, In, and Zn, and contains Zn. In addition, D is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, and Sn. This sulfide satisfies a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.2, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.

この硫化物において、Dは、例えば、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つである。Dは、Gaであってもよい。 In this sulfide, D is, for example, at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Ni. D may also be Ga.

この硫化物は、例えば、エネルギー変換のための材料として使用可能である。例えば、この硫化物は、太陽電池の材料として使用できる可能性がある。この場合、硫化物は、粒子状であってもよく、膜状であってもよく、繊維状であってもよい。Znを含むことにより、硫化物のバンドギャップが狭くなりやすい。また、Znのイオン半径とCuのイオン半径とが近く、これらは置換しやすいことから太陽電池などの材料として使用されるときに、その材料の特性を調整しやすい。 This sulfide can be used, for example, as a material for energy conversion. For example, this sulfide can potentially be used as a material for solar cells. In this case, the sulfide may be in the form of particles, a film, or fibers. By including Zn, the band gap of the sulfide tends to become narrower. In addition, the ionic radius of Zn is close to that of Cu, and they are easily substituted, so that when used as a material for solar cells, etc., the properties of the material can be easily adjusted.

以下の硫化物は、熱電変換材料以外の用途で使用されてもよい。その硫化物は、Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する。Zは、Cu、Al、In、及びSn以外の金属元素である。この硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。また、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。 The following sulfides may be used for applications other than thermoelectric conversion materials. The sulfides have a composition represented by Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc Z a+b1+b2+c S k . Z is a metal element other than Cu, Al, In, and Sn. The sulfides satisfy 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.

この硫化物において、Zは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、及びGaからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 In this sulfide, Z is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Zn, and Ga.

以下の硫化物は、熱電変換材料以外の用途で使用されてもよい。その硫化物は、Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有する。Tは、Cu、Al、Zn、及びSn以外の金属元素である。この硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。また、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。 The following sulfide may be used for applications other than thermoelectric conversion materials. The sulfide has a composition represented by Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc T a+b3+b4+c S k . T is a metal element other than Cu, Al, Zn, and Sn. The sulfide satisfies 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.

この硫化物において、Tは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、及びGaからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 In this sulfide, T is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Ga.

以下の硫化物は、熱電変換材料以外の用途で使用されてもよい。その硫化物は、Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する。ここで、Rは、Al、In、Zn、及びGaから選ばれる少なくとも1つの元素であるとともに、Gaを含む。加えて、Eは、Cu、Al、In、Zn、Ga、及びSn以外の金属元素である。この硫化物は、a≧0、b≧0、c≧0、0≦a+b+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。また、kは硫化物の電気的中性を保つ値である。 The following sulfides may be used for applications other than thermoelectric conversion materials. The sulfides have a composition represented by Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k . Here, R is at least one element selected from Al, In, Zn, and Ga, and includes Ga. In addition, E is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, Ga, and Sn. The sulfides satisfy a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 0 ≦ a + b + c ≦ 0.2, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2. In addition, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.

Eは、例えば、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 E is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, and Ni.

以下の硫化物は、熱電変換材料以外の用途で使用されてもよい。その硫化物は、Cuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する。ここで、Jは、Cu、Al、Ga、及びSn以外の金属元素である。この硫化物は、0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たす。また。kは硫化物の電気的中性を保つ値である。 The following sulfides may be used for applications other than thermoelectric conversion materials. The sulfides have a composition represented by Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k . Here, J is a metal element other than Cu, Al, Ga, and Sn. The sulfides satisfy 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2. Furthermore, k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.

Jは、例えば、Mn、Fe、Co、Ni、及びZnからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。 J is, for example, at least one element selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Zn.

熱電変換材料に含有される上記の硫化物及び熱電変換材料以外の用途で使用可能な上記の硫化物のそれぞれは、例えば、液相還元法によって合成できる。液相還元法によって合成されたナノメートルオーダー(例えば、100nm以下の粒子径を有する)の硫化物の粒子は、その粒子径を調節することによって効率的にフォノンを散乱して、低い格子熱伝導率を示すことが期待される。硫化物の粒子は、例えば、100nm以下の平均粒径を有する。硫化物の粒子は、望ましくは、50nm以下の平均粒径を有する。硫化物の粒子の平均粒径は、例えば、以下のように決定できる。10個以上の硫化物の粒子をTEMによって観察して各粒子の粒径を決定する。このとき、各粒子のTEM像に外接する最小面積の長方形を描き、描いた長方形の長辺の長さ及び短辺の長さをそれぞれ粒子の長径及び短径と定め、粒子の粒径=(粒子の長径+粒子の短径)/2の関係から各粒子の粒径を決定する。そのうえで、各粒子の粒径の相加平均を硫化物の粒子の平均粒径と決定する。 The above sulfides contained in the thermoelectric conversion material and the above sulfides usable for applications other than thermoelectric conversion materials can be synthesized, for example, by a liquid-phase reduction method. Sulfide particles of nanometer order (e.g., having a particle diameter of 100 nm or less) synthesized by the liquid-phase reduction method are expected to efficiently scatter phonons and exhibit low lattice thermal conductivity by adjusting the particle diameter. The sulfide particles have an average particle diameter of, for example, 100 nm or less. The sulfide particles preferably have an average particle diameter of 50 nm or less. The average particle diameter of the sulfide particles can be determined, for example, as follows. Ten or more sulfide particles are observed by TEM to determine the particle diameter of each particle. At this time, a rectangle with the minimum area circumscribing the TEM image of each particle is drawn, and the lengths of the long side and short side of the drawn rectangle are defined as the long axis and short axis of the particle, respectively, and the particle diameter of each particle is determined from the relationship of particle diameter = (long axis of particle + short axis of particle) / 2. The arithmetic mean of the particle sizes of each particle is then determined as the average particle size of the sulfide particles.

液相還元法の一例について説明する。所定の有機溶媒中に銅化合物と、スズ化合物と、アルミニウム化合物、亜鉛化合物、インジウム化合物、及びガリウム化合物の少なくとも1つと、硫黄化合物及び/又は単体の硫黄とを含む混合液を調製する。混合液の調製は、例えば、常温及び常圧の環境で行われる。次に、不活性ガスで満たされた150~350℃の温度の環境にその混合液を所定期間置いて熱電変換材料を合成する。 An example of the liquid phase reduction method is described below. A mixed liquid containing a copper compound, a tin compound, at least one of an aluminum compound, a zinc compound, an indium compound, and a gallium compound, and a sulfur compound and/or elemental sulfur is prepared in a specific organic solvent. The mixed liquid is prepared, for example, in an environment at room temperature and pressure. Next, the mixed liquid is placed in an environment filled with an inert gas at a temperature of 150 to 350°C for a specific period of time to synthesize a thermoelectric conversion material.

この方法において、銅化合物は、例えば、(i)CuCl及びCuCl2等の塩化物、(ii)Cu(NO32等の硝酸銅、(iii)Cu(CH3COO)、Cu(CH3COO)2、及びネオデカン酸銅等のカルボン酸銅、又は(iv)有機溶媒に可溶な銅アセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法において、スズ化合物は、例えば、SnCl2及びSnCl4等の塩化物、硝酸スズ、カルボン酸スズ、又はスズアセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法において、アルミニウム化合物、亜鉛化合物、インジウム化合物、及びガリウム化合物は、例えば、アルミニウム、亜鉛、インジウム、及びガリウムの塩化物、アルミニウム、亜鉛、インジウム、及びガリウムの硝酸化合物、アルミニウム、亜鉛、インジウム、及びガリウムのカルボン酸化合物、又はアルミニウム、亜鉛、インジウム、及びガリウムのアセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法における、硫黄化合物は、例えば、(i)オクタンチオール、デカンチオール、及びドデカンチオール等のチオール、(ii)オクタンジチオール、デカンジチオール、及びドデカンジチオール等のジチオール、(iii)チオ尿素、又は(iv)チオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。有機硫黄化合物は、望ましくは、チオール等の液体有機硫黄化合物である。この場合、混合液において、液体有機硫黄化合物が有機溶媒としての役割を果たすことができる。混合液には、液体有機硫黄化合物以外の液体有機化合物が含まれてもよい。そのような液体有機化合物としては、例えば、(i)オレイルアミン等のアミン、(ii)ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、及びオレイン酸等の不飽和脂肪酸、又は(iii)エチレングリコール、トリエチレングリコール、及びテトラエチレングリコール等の多価アルコールを挙げることができる。 In this method, the copper compound is, for example, (i) a chloride such as CuCl and CuCl2 , (ii) a copper nitrate such as Cu( NO3 ) 2 , (iii) a copper carboxylate such as Cu( CH3COO ), Cu( CH3COO ) 2 , and copper neodecanoate, or (iv) a complex compound such as copper acetylacetonate soluble in an organic solvent. In this method, the tin compound is, for example, a chloride such as SnCl2 and SnCl4 , a tin nitrate, a tin carboxylate, or a complex compound such as tin acetylacetonate. In this method, the aluminum compound, zinc compound, indium compound, and gallium compound are, for example, chlorides of aluminum, zinc, indium, and gallium, nitrates of aluminum, zinc, indium, and gallium, carboxylates of aluminum, zinc, indium, and gallium, or complex compounds such as acetylacetonate of aluminum, zinc, indium, and gallium. In this method, the sulfur compound is, for example, (i) a thiol such as octanethiol, decanethiol, and dodecanethiol, (ii) a dithiol such as octanedithiol, decanedithiol, and dodecanedithiol, (iii) thiourea, or (iv) an organic sulfur compound such as thioacetamide. The organic sulfur compound is preferably a liquid organic sulfur compound such as thiol. In this case, the liquid organic sulfur compound can play the role of an organic solvent in the mixed liquid. The mixed liquid may contain a liquid organic compound other than the liquid organic sulfur compound. Examples of such liquid organic compounds include, for example, (i) an amine such as oleylamine, (ii) an unsaturated fatty acid such as myristoleic acid, palmitoleic acid, and oleic acid, or (iii) a polyhydric alcohol such as ethylene glycol, triethylene glycol, and tetraethylene glycol.

この方法において使用される不活性ガスは、混合液に対し不活性である限り特に制限されないが、例えば、アルゴン等の希ガス又は窒素である。混合液が置かれる環境における圧力は、望ましくは常圧である。 The inert gas used in this method is not particularly limited as long as it is inert to the mixed liquid, but may be, for example, a rare gas such as argon or nitrogen. The pressure in the environment in which the mixed liquid is placed is preferably normal pressure.

この方法において、不活性ガスで満たされた150~350℃の温度の環境を保つ期間は、例えば1~5時間である。 In this method, the environment filled with inert gas and kept at a temperature of 150 to 350°C is maintained for, for example, 1 to 5 hours.

この方法によれば、合成された硫化物が沈殿する。沈殿した硫化物は、所定の有機溶媒を用いた遠心分離等の固液分離法によって分離され、必要に応じて所定の有機溶媒で洗浄され、乾燥される。このようにして、硫化物を含有している熱電変換材料を得ることができる。 According to this method, the synthesized sulfide precipitates. The precipitated sulfide is separated by a solid-liquid separation method such as centrifugation using a specified organic solvent, and is washed with a specified organic solvent as necessary and dried. In this way, a thermoelectric conversion material containing sulfide can be obtained.

このようにして得られる熱電変換材料は、粉末状でありうる。なお、熱電変換材料は、硫化物を含有している粉末をさらに焼結することによって作製されてもよい。硫化物を含有している粉末を焼結する方法は、特に限定されないが、例えば、放電プラズマ焼結(Spark Plasma Sintering)又はホットプレスである。焼結温度は、例えば、150℃~1500℃であり、望ましくは、200℃~1000℃である。焼結時間は、例えば、0分~10分であり、望ましくは、0~5分である。また、焼結工程の開始から焼結工程中の最高温度に到達するまでに必要な昇温時間は、例えば、2分~10分である。例えば、粉体が充填されたダイの内部の温度を上記の昇温時間で最高温度まで昇温させ、ダイの内部の温度を最高温度で所定の時間(焼結時間)保ち、その後加熱を停止して焼結体を自然冷却させる。放電プラズマ焼結による焼結では、焼結工程中に粉体を加圧する圧力は、例えば、0.5MPa~100MPaであり、望ましくは、5MPa~50MPaである。一方、ホットプレスによる焼結では、焼結工程中に粉体を加圧する圧力は、例えば、5MPa~500MPaであり、望ましくは200MPa~400MPaである。ペレットのサイズが大きい場合又はペレットの機械的強度を高くする必要がある場合には、均一な焼結体を得るために、焼結時間又は昇温時間をさらに長くすることが好ましい。この焼結工程は、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気において行うことができる。この焼結工程は、望ましくは真空雰囲気で行われる。 The thermoelectric conversion material thus obtained may be in powder form. The thermoelectric conversion material may be produced by further sintering the powder containing sulfide. The method for sintering the powder containing sulfide is not particularly limited, but may be, for example, spark plasma sintering or hot pressing. The sintering temperature is, for example, 150°C to 1500°C, preferably 200°C to 1000°C. The sintering time is, for example, 0 to 10 minutes, preferably 0 to 5 minutes. The heating time required from the start of the sintering process to reach the maximum temperature during the sintering process is, for example, 2 to 10 minutes. For example, the temperature inside the die filled with the powder is raised to the maximum temperature in the above heating time, the temperature inside the die is kept at the maximum temperature for a predetermined time (sintering time), and then heating is stopped to allow the sintered body to cool naturally. In sintering by spark plasma sintering, the pressure to pressurize the powder during the sintering process is, for example, 0.5 MPa to 100 MPa, and preferably 5 MPa to 50 MPa. On the other hand, in sintering by hot pressing, the pressure to pressurize the powder during the sintering process is, for example, 5 MPa to 500 MPa, and preferably 200 MPa to 400 MPa. When the pellet size is large or when the mechanical strength of the pellet needs to be increased, it is preferable to further extend the sintering time or the temperature rise time in order to obtain a uniform sintered body. This sintering process can be performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. This sintering process is preferably performed in a vacuum atmosphere.

熱電変換材料に含有される上記の硫化物及び熱電変換材料以外の用途で使用可能な上記の硫化物のそれぞれは、例えば、銅の粉末と、スズの粉末と、アルミニウムの粉末、亜鉛粉末、インジウムの粉末、及びガリウムの粉末の少なくとも1つとを混合して得られた粉体を焼結することによって生成されてもよい。これらの粉末の混合には、例えば、ボールミル等の公知の装置を使用できる。また、粉体を焼結する方法は、例えば、放電プラズマ焼結又はホットプレスである。この場合、放電プラズマ焼結又はホットプレスの条件として、液相還元法によって得られた硫化物を含有している粉末に対する放電プラズマ焼結又はホットプレスに関する上記の記載における条件が適用されうる。 Each of the above sulfides contained in the thermoelectric conversion material and the above sulfides usable for applications other than thermoelectric conversion materials may be produced by, for example, sintering a powder obtained by mixing copper powder, tin powder, and at least one of aluminum powder, zinc powder, indium powder, and gallium powder. For mixing these powders, a known device such as a ball mill can be used. The method for sintering the powder is, for example, spark plasma sintering or hot pressing. In this case, the conditions for the spark plasma sintering or hot pressing described above regarding the spark plasma sintering or hot pressing of the powder containing the sulfide obtained by the liquid phase reduction method can be applied as the conditions for the spark plasma sintering or hot pressing.

熱電変換材料に含有される上記の硫化物及び熱電変換材料以外の用途で使用可能な上記の硫化物のそれぞれは、溶融法又は水熱合成法によって合成されてもよい。 Each of the above sulfides contained in the thermoelectric conversion material and the above sulfides usable for applications other than thermoelectric conversion materials may be synthesized by a melting method or a hydrothermal synthesis method.

溶融法は、原料を高温で反応させ、目的の化合物を得る方法である。溶融法の一例は、目的とする材料の物質量比となるように原料を石英管等に真空封入し、例えば、電気炉等の加熱装置を用いて、所定の反応温度で原料を反応させる方法である。 The melting method is a method of reacting raw materials at high temperatures to obtain the desired compound. One example of the melting method is to vacuum seal the raw materials in a quartz tube or the like so that the mass ratio of the desired materials is achieved, and then react the raw materials at a predetermined reaction temperature using a heating device such as an electric furnace.

水熱合成法の一例について説明する。目的とする材料の物質量比となるように、銅化合物と、スズ化合物と、アルミニウム化合物、亜鉛化合物、インジウム化合物、及びガリウム化合物の少なくとも1つと、硫黄化合物又は単体の硫黄とを水中に添加しつつ混合して混合液を調製する。次に、150~300℃の温度及び0.5~9MPa(メガパスカル)の圧力の環境にその混合液を所定期間置いて水熱合成を行う。この製造方法における銅化合物は、例えば、CuCl及びCuCl2等の塩化物、Cu(NO32等の硝酸銅、又はCu(CH3COO)及びCu(CH3COO)2等のカルボン酸銅である。この製造方法におけるスズ化合物は、例えば、SnCl2及びSnCl4等の塩化物、硝酸スズ、又はカルボン酸スズである。この製造方法におけるアルミニウム化合物、亜鉛化合物、インジウム化合物、及びガリウム化合物は、例えば、アルミニウムの塩化物、亜鉛の塩化物、インジウムの塩化物、及びガリウムの塩化物、硝酸アルミニウム、硝酸亜鉛、硝酸インジウム、及び硝酸ガリウム、又はカルボン酸アルミニウム、カルボン酸亜鉛、カルボン酸インジウム、及びカルボン酸ガリウムである。この製造方法における硫黄化合物は、例えば、チオ尿素及びチオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。 An example of the hydrothermal synthesis method will be described. A mixture is prepared by adding and mixing at least one of a copper compound, a tin compound, an aluminum compound, a zinc compound, an indium compound, and a gallium compound, and a sulfur compound or elemental sulfur in water so as to obtain a substance amount ratio of the target material. Next, the mixture is placed in an environment of a temperature of 150 to 300°C and a pressure of 0.5 to 9 MPa (megapascals) for a predetermined period of time to perform hydrothermal synthesis. The copper compound in this manufacturing method is, for example, a chloride such as CuCl and CuCl 2 , a copper nitrate such as Cu(NO 3 ) 2 , or a copper carboxylate such as Cu(CH 3 COO) and Cu(CH 3 COO) 2. The tin compound in this manufacturing method is, for example, a chloride such as SnCl 2 and SnCl 4 , a tin nitrate, or a tin carboxylate. The aluminum compound, zinc compound, indium compound, and gallium compound in this manufacturing method are, for example, aluminum chloride, zinc chloride, indium chloride, and gallium chloride, aluminum nitrate, zinc nitrate, indium nitrate, and gallium nitrate, or aluminum carboxylate, zinc carboxylate, indium carboxylate, and gallium carboxylate. The sulfur compound in this manufacturing method is, for example, an organic sulfur compound such as thiourea and thioacetamide.

<熱電変換素子>
熱電変換材料のための上記の硫化物を含有する熱電変換材料を用いて、熱電変換素子を作製できる。この場合、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料を備える。
<Thermoelectric conversion element>
The above-mentioned sulfide-containing thermoelectric conversion material for thermoelectric conversion materials can be used to fabricate a thermoelectric conversion element. In this case, the thermoelectric conversion element includes the above-mentioned sulfide-containing thermoelectric conversion material.

例えば、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料と、熱電変換材料に接続された導体とを備えている。図1Aに示す通り、熱電変換素子1は、例えば、複数の第一熱電変換材料10と、第一熱電変換材料10と交互に配置された複数の第二熱電変換材料20と、隣り合う第一熱電変換材料10と第二熱電変換材料20とを接続する導体30とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料10及び複数の第二熱電変換材料20は、導体30によって直列に接続されている。第一熱電変換材料10は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。一方、第二熱電変換材料20は、熱電変換素子に使用可能な公知のn型半導体である。図1Aに示す通り、導体30は、例えば所定の基板40a又は基板40b上に配置されている。基板40a及び基板40bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。 For example, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion material containing the above-mentioned sulfide and a conductor connected to the thermoelectric conversion material. As shown in FIG. 1A, the thermoelectric conversion element 1 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 10, a plurality of second thermoelectric conversion materials 20 arranged alternately with the first thermoelectric conversion materials 10, and a conductor 30 connecting adjacent first thermoelectric conversion materials 10 and second thermoelectric conversion materials 20. For example, the plurality of first thermoelectric conversion materials 10 and the plurality of second thermoelectric conversion materials 20 are connected in series by the conductor 30. The first thermoelectric conversion material 10 is a thermoelectric conversion material containing the above-mentioned sulfide. On the other hand, the second thermoelectric conversion material 20 is a known n-type semiconductor that can be used in a thermoelectric conversion element. As shown in FIG. 1A, the conductor 30 is arranged on, for example, a predetermined substrate 40a or substrate 40b. Each of the substrates 40a and 40b is, for example, a ceramic substrate having high thermal conductivity.

図1Bに示す通り、熱電変換素子2は、例えば、複数の第一熱電変換材料50と、隣り合う第一熱電変換材料50同士を接続する導体60とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料50は、導体60によって直列に接続されている。第一熱電変換材料50は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。図1Bに示す通り、導体60は、例えば所定の基板70a又は基板70b上に配置されている。基板70a及び基板70bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。 As shown in FIG. 1B, the thermoelectric conversion element 2 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 50 and a conductor 60 that connects adjacent first thermoelectric conversion materials 50 to each other. For example, the plurality of first thermoelectric conversion materials 50 are connected in series by the conductor 60. The first thermoelectric conversion material 50 is a thermoelectric conversion material that contains the above-mentioned sulfide. As shown in FIG. 1B, the conductor 60 is disposed, for example, on a predetermined substrate 70a or substrate 70b. Each of the substrates 70a and 70b is, for example, a ceramic substrate having high thermal conductivity.

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例であり、本発明は以下の実施例に限定されない。 The present invention will be described in more detail below using examples. Note that the following examples are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
酢酸銅3ミリモル(mmol)、アセチルアセトンアルミニウム1mmol、酢酸スズ1mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Aを得た。次に、アルゴンガスで満たされた空間に混合液Aの入った容器を置き、混合液Aを260℃に加熱しつつ1時間撹拌することによって、粒子が析出した液体が得られた。このようにして得られた液体に、メタノールを加え、5000rpmで5分間遠心分離処理を行って、沈殿物を回収した。回収した沈殿物をヘキサン及びメタノールで洗浄し、その沈殿物を含む固形物を真空乾燥器を用いて真空乾燥させた。このようにして、実施例1に係る粉末を得た。
Example 1
3 millimoles (mmol) of copper acetate, 1 mmol of aluminum acetylacetone, 1 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixed solution A. Next, a container containing mixed solution A was placed in a space filled with argon gas, and mixed solution A was heated to 260° C. and stirred for 1 hour to obtain a liquid in which particles were precipitated. Methanol was added to the liquid thus obtained, and the mixture was centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes to collect the precipitate. The collected precipitate was washed with hexane and methanol, and the solid containing the precipitate was vacuum-dried using a vacuum dryer. In this way, the powder according to Example 1 was obtained.

放電プラズマ焼結装置(シンターランド社製、型番:LABOX-125)を用いて実施例1に係る粉末を焼結した。この焼結は、直径10mmのダイに0.75gの実施例1に係る粉末を充填し、ダイの内部の温度を450℃まで100℃/分の速度で上昇させ、その後ダイの内部の温度を450℃で2分間保つことによって行われた。その後、ダイの内部から取り出した焼結品であるペレットの両面を、日本工業規格(JIS)R 6001:1998に基づく粒度が#2000である研磨紙を用いて研磨し、実施例1に係るサンプルを得た。 The powder according to Example 1 was sintered using a spark plasma sintering device (manufactured by Sinterland, model number: LABOX-125). This sintering was carried out by filling a die with 0.75 g of the powder according to Example 1, raising the temperature inside the die to 450°C at a rate of 100°C/min, and then maintaining the temperature inside the die at 450°C for 2 minutes. After that, both sides of the pellet, which was the sintered product removed from inside the die, were polished using polishing paper with a grain size of #2000 based on Japanese Industrial Standards (JIS) R 6001:1998 to obtain a sample according to Example 1.

<実施例2>
ネオデカン酸銅18mmol、2-エチルヘキサン酸インジウム6mmol、2-エチルヘキサン酸スズ6mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Bを得た。次に、窒素ガスで満たされた空間に混合液Bの入った容器を置き、混合液Bを240℃に加熱しつつ3時間撹拌することによって、粒子が析出した液体が得られた。このようにして得られた液体に、メタノールを加え、5000rpmで5分間遠心分離処理を行って、沈殿物を回収した。回収した沈殿物をヘキサン及びメタノールで洗浄し、その沈殿物を含む固形物を真空乾燥器を用いて真空乾燥させた。このようにして、実施例2に係る粉末を得た。実施例2に係る粉末に対して、実施例1に係る粉末と同様に焼結及び研磨の処理を行い、実施例2に係るサンプルを得た。
Example 2
18 mmol of copper neodecanoate, 6 mmol of indium 2-ethylhexanoate, 6 mmol of tin 2-ethylhexanoate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixed liquid B. Next, a container containing mixed liquid B was placed in a space filled with nitrogen gas, and mixed liquid B was heated to 240° C. and stirred for 3 hours to obtain a liquid in which particles were precipitated. Methanol was added to the liquid thus obtained, and the mixture was centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes to collect the precipitate. The collected precipitate was washed with hexane and methanol, and the solid containing the precipitate was vacuum-dried using a vacuum dryer. In this way, a powder according to Example 2 was obtained. The powder according to Example 2 was sintered and polished in the same manner as the powder according to Example 1 to obtain a sample according to Example 2.

<実施例3>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンアルミニウム0.75mmol、アセチルアセトン亜鉛0.25mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Cを得た。こうして得られた混合液Cに対して、実施例1と同様に、粉末の調製、焼結及び研磨の処理を行い、実施例3に係るサンプルを得た。
Example 3
5 mmol of copper acetate, 0.75 mmol of aluminum acetylacetone, 0.25 mmol of zinc acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixed solution C. The mixed solution C thus obtained was subjected to the powder preparation, sintering, and polishing treatment in the same manner as in Example 1 to obtain a sample according to Example 3.

<実施例4>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンアルミニウム0.5mmol、アセチルアセトン亜鉛0.5mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Dを得た。こうして得られた混合液Dに対して、実施例1と同様に粉末の調製、焼結及び研磨の処理を行い、実施例4に係るサンプルを得た。
Example 4
5 mmol of copper acetate, 0.5 mmol of aluminum acetylacetone, 0.5 mmol of zinc acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture D. The mixture D thus obtained was subjected to the same powder preparation, sintering, and polishing treatments as in Example 1 to obtain a sample according to Example 4.

<実施例5>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンアルミニウム0.25mmol、アセチルアセトン亜鉛0.75mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Eを得た。こうして得られた混合液Eに対して、実施例1と同様に粉末の調製、焼結及び研磨の処理を行い、実施例5に係るサンプルを得た。
Example 5
5 mmol of copper acetate, 0.25 mmol of aluminum acetylacetone, 0.75 mmol of zinc acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture E. The mixture E thus obtained was subjected to the same powder preparation, sintering, and polishing treatment as in Example 1 to obtain a sample according to Example 5.

<実施例6>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトン亜鉛1mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Fを得た。こうして得られた混合液Fに対して、実施例1と同様に粉末の回収、焼結及び研磨の処理を行い、実施例6に係るサンプルを得た。
Example 6
5 mmol of copper acetate, 1 mmol of zinc acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture F. The mixture F thus obtained was subjected to the powder recovery, sintering, and polishing processes in the same manner as in Example 1 to obtain a sample according to Example 6.

<実施例7>
酢酸銅5ミリモル(mmol)、アセチルアセトンアルミニウム0.75mmol、アセチルアセトンガリウム0.5mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Gを得た。次に、アルゴンガスで満たされた空間に混合液Gの入った容器を置き、混合液Gを260℃に加熱しつつ1時間撹拌することによって、粒子が析出した液体が得られた。このようにして得られた液体を5000rpmで5分間遠心分離処理を行って、沈殿物を回収した。回収した沈殿物をヘキサンで洗浄し、その沈殿物を含む固形物を真空乾燥器を用いて真空乾燥させた。このようにして、実施例7に係る粉末を得た。実施例7に係る粉末に対して、実施例1に係る粉末と同様に焼結及び研磨の処理を行い、実施例7に係るサンプルを得た。
Example 7
5 mmol of copper acetate, 0.75 mmol of aluminum acetylacetone, 0.5 mmol of gallium acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixed solution G. Next, a container containing the mixed solution G was placed in a space filled with argon gas, and the mixed solution G was heated to 260° C. and stirred for 1 hour to obtain a liquid in which particles were precipitated. The liquid thus obtained was centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes to recover the precipitate. The recovered precipitate was washed with hexane, and the solid containing the precipitate was vacuum-dried using a vacuum dryer. In this way, the powder according to Example 7 was obtained. The powder according to Example 7 was sintered and polished in the same manner as the powder according to Example 1 to obtain a sample according to Example 7.

<実施例8>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンアルミニウム0.5mmol、アセチルアセトンガリウム1mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Hを得た。こうして得られた混合液Hに対して、実施例7と同様に粉末の回収、焼結及び研磨の処理を行い、実施例8に係るサンプルを得た。
Example 8
5 mmol of copper acetate, 0.5 mmol of aluminum acetylacetone, 1 mmol of gallium acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture H. The mixture H thus obtained was subjected to the powder recovery, sintering, and polishing treatment in the same manner as in Example 7 to obtain a sample according to Example 8.

<実施例9>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンアルミニウム0.25mmol、アセチルアセトンガリウム1.5mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Iを得た。こうして得られた混合液Iに対して、実施例7と同様に粉末の回収、焼結及び研磨の処理を行い、実施例9に係るサンプルを得た。
<Example 9>
5 mmol of copper acetate, 0.25 mmol of aluminum acetylacetone, 1.5 mmol of gallium acetylacetone, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture I. The mixture I thus obtained was subjected to the powder recovery, sintering, and polishing treatment in the same manner as in Example 7 to obtain a sample according to Example 9.

<実施例10>
酢酸銅5mmol、アセチルアセトンガリウム2mmol、酢酸スズ2mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Jを得た。こうして得られた混合液Jに対して、実施例7と同様に粉末の回収、焼結及び研磨の処理を行い、実施例10に係るサンプルを得た。
Example 10
5 mmol of copper acetate, 2 mmol of acetylacetone gallium, 2 mmol of tin acetate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture J. The mixture J thus obtained was subjected to the powder recovery, sintering, and polishing processes in the same manner as in Example 7 to obtain a sample according to Example 10.

<X線回折測定>
X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)を用いて、実施例1及び2に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の各粉末のX線回折パターンを得た。X線としてCuKα線を用いた。実施例1~6に係る各粉末のX線回折パターンを図2A~2Fに示す。この結果から、実施例1に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末は、ウルツ鉱型構造の結晶構造を有することが示唆された。また、実施例2に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末は、ウルツ鉱型構造の結晶構造を有し、Cu3InSnS5の組成を有することが示唆された。実施例3~10に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末は、ウルツ鉱型構造の結晶構造を有し、それぞれ、Cu3Al0.75Zn0.25SnS5、Cu3Al0.5Zn0.5SnS5、Cu3Al0.25Zn0.75SnS5、Cu3ZnSnS5、Cu3Al0.75Ga0.25SnS5、Cu3Al0.5Ga0.5SnS5、Cu3Al0.25Ga0.75SnS5、及びCu3GaSnS5の組成を有することが示唆された。
<X-ray diffraction measurement>
Using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation, product name: MiniFlex600), X-ray diffraction patterns were obtained for each powder before sintering by spark plasma sintering in Examples 1 and 2. CuKα rays were used as X-rays. X-ray diffraction patterns for each powder in Examples 1 to 6 are shown in Figures 2A to 2F. From these results, it was suggested that the powder before sintering by spark plasma sintering in Example 1 has a wurtzite crystal structure. It was also suggested that the powder before sintering by spark plasma sintering in Example 2 has a wurtzite crystal structure and a composition of Cu3InSnS5 . It was suggested that the powders before sintering by spark plasma sintering in Examples 3 to 10 had a crystal structure of a wurtzite type structure and had compositions of Cu3Al0.75Zn0.25SnS5 , Cu3Al0.5Zn0.5SnS5 , Cu3Al0.25Zn0.75SnS5 , Cu3ZnSnS5 , Cu3Al0.75Ga0.25SnS5 , Cu3Al0.5Ga0.5SnS5 , Cu3Al0.25Ga0.75SnS5 , and Cu3GaSnS5 , respectively .

エネルギー分散型X線分析(EDS)装置(日立ハイテクノロジーズ社製、製品名:TM3030)を用いて、実施例1、3~10に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末から作製した試料及び実施例1、3~6に係る放電プラズマ焼結で焼結した後の各サンプルから作製した試料に対しEDSを行い、Cu、Al、Zn、Ga、及びSnの原子数基準の存在比を測定した。結果を表1に示す。 Using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) (Hitachi High-Technologies Corporation, product name: TM3030), EDS was performed on the samples made from the powders before sintering by spark plasma sintering in Examples 1 and 3 to 10, and on the samples made from each sample after sintering by spark plasma sintering in Examples 1 and 3 to 6, and the abundance ratios of Cu, Al, Zn, Ga, and Sn based on atomic number were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 0007640223000001
Figure 0007640223000001

X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)又は全自動多目的X線回折装置(リガク社製、製品名:SmartLab)を用いて、実施例1~8に係る放電プラズマ焼結で焼結した後の各サンプルのX線回折パターンを得た。X線としてCuKα線を用いた。実施例1~8に係る各サンプルのX線回折パターンを、図3A~3Hに示す。この結果から、実施例1~8に係る放電プラズマ焼結で焼結した後の各サンプルは、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有することが示唆された。 Using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, product name: MiniFlex600) or a fully automated multipurpose X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, product name: SmartLab), the X-ray diffraction patterns of each sample after sintering by spark plasma sintering in Examples 1 to 8 were obtained. CuKα rays were used as the X-rays. The X-ray diffraction patterns of each sample after sintering by spark plasma sintering in Examples 1 to 8 are shown in Figures 3A to 3H. These results suggest that each sample after sintering by spark plasma sintering in Examples 1 to 8 has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.

<熱伝導率の測定>
実施例1~8に係る各サンプルを用いて300~700Kの範囲の複数の温度における熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定には、レーザーフラッシュ法熱物性測定装置(Netzsch社製、製品名:Lfa457)又はレーザーフラッシュ法熱物性測定装置(京都電子工業社製、製品名:LFA-502)を用いた。結果を図4A~4Hに示す。
<Measurement of thermal conductivity>
The thermal conductivity of each sample according to Examples 1 to 8 was measured at a plurality of temperatures in the range of 300 to 700 K. The thermal conductivity was measured using a laser flash method thermal property measuring device (manufactured by Netzsch, product name: Lfa457) or a laser flash method thermal property measuring device (manufactured by Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd., product name: LFA-502). The results are shown in Figures 4A to 4H.

<電気伝導率及びゼーベック係数の測定>
熱電特性評価装置(アルバック理工社製、製品名:ZEM-3)又は熱電特性評価装置(オザワ科学社製、製品名:RZ2001i)を用いて、300~700Kの範囲の複数の温度における、実施例1~8に係る各サンプルの電気伝導率σを測定した。結果を図5A~5Hに示す。なお、実施例1及び2に係る各サンプルの電気伝導率σの逆数をとって電気抵抗率ρを求めた。結果を図5A及び5Bに示す。上記の熱電特性評価装置を用いて実施例1~8に係る各サンプルのゼーベック係数Sを測定した。結果を図6A~6Hに示す。実施例1~8に係る各サンプルにおいて、ゼーベック係数S及び電気伝導率σから下記の式(5)に基づいてパワーファクターPFを求めた。結果を図6A~6Hに示す。
PF=S2σ (5)
<Measurement of Electrical Conductivity and Seebeck Coefficient>
Using a thermoelectric property evaluation device (manufactured by ULVAC-RIKO, product name: ZEM-3) or a thermoelectric property evaluation device (manufactured by Ozawa Scientific, product name: RZ2001i), the electrical conductivity σ of each sample according to Examples 1 to 8 was measured at a plurality of temperatures in the range of 300 to 700K. The results are shown in Figs. 5A to 5H. The electrical resistivity ρ was calculated by taking the reciprocal of the electrical conductivity σ of each sample according to Examples 1 and 2. The results are shown in Figs. 5A and 5B. The Seebeck coefficient S of each sample according to Examples 1 to 8 was measured using the above-mentioned thermoelectric property evaluation device. The results are shown in Figs. 6A to 6H. For each sample according to Examples 1 to 8, the power factor PF was calculated based on the Seebeck coefficient S and electrical conductivity σ according to the following formula (5). The results are shown in Figs. 6A to 6H.
PF= S2σ (5)

<キャリア熱伝導率及び格子熱伝導率の決定>
実施例1~8に係る各サンプルに関するゼーベック係数Sの測定結果から、上記の式(4)を用いてローレンツ数Lを決定した。決定したローレンツ数Lと電気伝導率σの測定結果から、上記の式(3)を用いて実施例1~8に係る各サンプルの熱伝導率の測定温度におけるキャリア熱伝導率κcarを算出した。実施例1~8に係る各サンプルの熱伝導率の測定温度における格子熱伝導率κlatを、式(2)に従って、熱伝導率からキャリア熱伝導率κcarを差し引いて決定した。結果を図4A~4Hに示す。図4A及び4Bに示す通り、実施例1及び2に係る各サンプルは、373~673Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有していた。実施例3~8に係る各サンプルは、373~673Kにおいて0.7W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有していた。
Determination of Carrier Thermal Conductivity and Lattice Thermal Conductivity
From the measurement results of the Seebeck coefficient S for each sample according to Examples 1 to 8, the Lorentz number L was determined using the above formula (4). From the measurement results of the determined Lorentz number L and the electrical conductivity σ, the carrier thermal conductivity κcar at the measurement temperature of the thermal conductivity of each sample according to Examples 1 to 8 was calculated using the above formula (3). The lattice thermal conductivity κlat at the measurement temperature of the thermal conductivity of each sample according to Examples 1 to 8 was determined by subtracting the carrier thermal conductivity κcar from the thermal conductivity according to formula (2). The results are shown in Figures 4A to 4H. As shown in Figures 4A and 4B, each sample according to Examples 1 and 2 had a lattice thermal conductivity of 1.3 W/(m·K) or less at 373 to 673 K. Each sample according to Examples 3 to 8 had a lattice thermal conductivity of 0.7 W/(m·K) or less at 373 to 673 K.

<無次元性能指数>
図4A~図6Hに示す結果から、式(1)に従って、実施例に係る各サンプルに関する無次元性能指数ZTを求めた。結果を図7A~7Hに示す。
<Dimensionless performance index>
4A to 6H, the dimensionless figure of merit ZT for each sample according to the embodiment was calculated according to formula (1). The results are shown in Figures 7A to 7H.

<TEM観察>
実施例1、3~10に係る焼結前の粉末からTEM観察用の試料を作製し、TEM観察を行った。実施例1、3~10に係る焼結前の粉末のTEM写真を図8A~図8Iに示す。各試料のTEM写真において、10個以上の粒子を選び、各粒子のTEM像に外接する最小面積の長方形を描き、描いた長方形の長辺の長さ及び短辺の長さをそれぞれ粒子の長径及び短径と定めた。描いた長方形の長辺の長さ及び短辺の長さをそれぞれ粒子の長径及び短径と定め、粒子の粒径=(粒子の長径+粒子の短径)/2の関係から各粒子の粒径を決定した。そのうえで、各粒子の粒径の相加平均を平均粒径と決定した。各実施例における粉末の長径及び短径のそれぞれの平均値と、平均粒径とを表2に示す。
<TEM Observation>
Samples for TEM observation were prepared from the powders before sintering according to Examples 1, 3 to 10, and TEM observation was performed. TEM photographs of the powders before sintering according to Examples 1, 3 to 10 are shown in Figures 8A to 8I. In the TEM photographs of each sample, 10 or more particles were selected, a rectangle of the smallest area circumscribing the TEM image of each particle was drawn, and the length of the long side and the length of the short side of the drawn rectangle were determined as the long axis and the short axis of the particle, respectively. The length of the long side and the short side of the drawn rectangle were determined as the long axis and the short axis of the particle, respectively, and the particle size of each particle was determined from the relationship of particle size = (particle long axis + particle short axis) / 2. The arithmetic mean of the particle size of each particle was then determined as the average particle size. The average values of the long axis and short axis of the powder in each Example and the average particle size are shown in Table 2.

Figure 0007640223000002
Figure 0007640223000002

Claims (9)

Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する硫化物であって、
Mは、Al、In、及びZnから選ばれる少なくとも1つの元素であり、
Dは、Gaであり、
a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値であり、
MがZnを含む場合には、0≦a+b+c≦0.2であり、
MがZnを含まない場合には、0≦a+b+c≦0.5である、硫化物を含有しており、
前記硫化物は、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有する、
熱電変換材料。
A sulfide having a composition represented by Cu ha M ib Sn jc D a+b+c S k ,
M is at least one element selected from Al, In, and Zn;
D is Ga ;
a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2 are satisfied, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide,
When M contains Zn, 0≦a+b+c≦0.2;
When M does not contain Zn, it contains sulfides, where 0≦a+b+c≦0.5;
The sulfide has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.
Thermoelectric conversion materials.
前記硫化物は、Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有し、
Aは、Gaであり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値である、
請求項1に記載の熱電変換材料。
The sulfide has a composition represented by Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc A a+b1+b2+c S k ,
A is Ga ;
0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a + b1 + b2 + c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2 are satisfied, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.
The thermoelectric conversion material according to claim 1 .
前記硫化物は、Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有し、
Qは、Gaであり、
0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値である、
請求項1に記載の熱電変換材料。
The sulfide has a composition represented by Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc Q a+b3+b4+c S k ,
Q is Ga ;
0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a + b3 + b4 + c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2 are satisfied, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide.
The thermoelectric conversion material according to claim 1 .
Cuh-aAlx-b1Ini-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する硫化物であって、
Zは、Zn又はGaであり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、0≦a+b1+b2+c≦0.5、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値である、硫化物を含有しており、
前記硫化物は、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有する、
熱電変換材料。
A sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b1 In ix-b2 Sn jc Z a+b1+b2+c S k ,
Z is Zn or Ga ;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, 0≦a+b1+b2+c≦0.5, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide;
The sulfide has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.
Thermoelectric conversion materials.
Cuh-aAlx-b3Zni-x-b4Snj-ca+b3+b4+ckで表される組成を有する硫化物であって、
Tは、Gaであり、
0≦x≦i、a≧0、b3≧0、b4≧0、c≧0、0≦a+b3+b4+c≦0.2、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値である、硫化物を含有しており、
前記硫化物は、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有する、
熱電変換材料。
A sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b3 Zn ix-b4 Sn jc T a+b3+b4+c S k ,
T is Ga ;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b3≧0, b4≧0, c≧0, 0≦a+b3+b4+c≦0.2, 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide;
The sulfide has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.
Thermoelectric conversion materials.
Cuh-ai-bSnj-ca+b+ckで表される組成を有する硫化物であって、
Rは、Al、In、Zn、及びGaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、
Eは、Cu、Al、In、Zn、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
a≧0、b≧0、c≧0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値であり、
a+b+c=0である、硫化物を含有しており、
前記硫化物は、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有する、
熱電変換材料。
A sulfide having a composition represented by Cu ha R ib Sn jc E a+b+c S k ,
R is at least one element selected from Al, In, Zn, and Ga;
E is a metal element other than Cu, Al, In, Zn, Ga, and Sn;
a ≧ 0, b ≧ 0, c ≧ 0, 2.8 ≦ h ≦ 3.2, 0.8 ≦ i ≦ 1.2, and 0.8 ≦ j ≦ 1.2 are satisfied, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide,
Contains sulfides , where a+b+c=0;
The sulfide has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.
Thermoelectric conversion materials.
Cuh-aAlx-b1Gai-x-b2Snj-ca+b1+b2+ckで表される組成を有する硫化物であって、
Jは、Cu、Al、Ga、及びSn以外の金属元素であり、
0≦x≦i、a≧0、b1≧0、b2≧0、c≧0、a+b1+b2+c=0、2.8≦h≦3.2、0.8≦i≦1.2、及び0.8≦j≦1.2を満たし、かつ、kは前記硫化物の電気的中性を保つ値である、硫化物を含有しており、
前記硫化物は、ウルツ鉱型の結晶構造及び閃亜鉛鉱型の結晶構造の少なくとも1つを有する、
熱電変換材料。
A sulfide having a composition represented by Cu ha Al x-b1 Ga ix-b2 Sn jc J a+b1+b2+c S k ,
J is a metal element other than Cu, Al, Ga, and Sn;
Contains a sulfide that satisfies 0≦x≦i, a≧0, b1≧0, b2≧0, c≧0, a+b1+b2+c=0 , 2.8≦h≦3.2, 0.8≦i≦1.2, and 0.8≦j≦1.2, and k is a value that maintains the electrical neutrality of the sulfide;
The sulfide has at least one of a wurtzite crystal structure and a zinc blende crystal structure.
Thermoelectric conversion materials.
前記硫化物は、焼結されている、請求項1~7のいずれか1項に記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 7, wherein the sulfide is sintered. 請求項1~8のいずれか1項に記載の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子。 A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6389085B2 (en) * 2014-08-27 2018-09-12 株式会社日本触媒 Thermoelectric conversion material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130312806A1 (en) 2010-10-18 2013-11-28 David L. Carroll Thermoelectric Apparatus And Applications Thereof
WO2017203938A1 (en) 2016-05-25 2017-11-30 株式会社日本触媒 Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element, powder for thermoelectric conversion material, and method for producing thermoelectric conversion material

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