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JPH0684529B2 - 低温用熱電材料およびその製造方法 - Google Patents
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JPH0684529B2 - 低温用熱電材料およびその製造方法 - Google Patents

低温用熱電材料およびその製造方法

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JPH0684529B2
JPH0684529B2 JP61035337A JP3533786A JPH0684529B2 JP H0684529 B2 JPH0684529 B2 JP H0684529B2 JP 61035337 A JP61035337 A JP 61035337A JP 3533786 A JP3533786 A JP 3533786A JP H0684529 B2 JPH0684529 B2 JP H0684529B2
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、低温(77〜200゜K)で高い性能を発揮するBi
-Sb系熱電材料およびその製造方法に関し、さらに詳し
くは、ベルチエ効果を利用する電子冷却用モジユールの
脚部材料、あるいはゼーベツク効果を利用する冷熱
(源)発電用モジユールの脚部材料などに有用な、従来
得られなかつたp型Bi-Sb系合金の熱電材料組成および
その製造方法に関する。
従来の技術 Bi-Sb系合金は低温域で限られた範囲(例えば4.2゜Kに
おいてBi95Sb5〜Bi80Sb20)で0.015eV程度のバンドギ
ヤツプを有するn型半導体となり、これが低温域で優れ
たベルチエ効果を発揮することは広く知られている(例
えば、特公昭38−15421号公報参照)。
このn型Bi-Sb合金は、実は真性半導体であり、キヤリ
アとして電子、正孔ともほぼ同数存在する。しかし、電
子の移動度が正孔の移動度に比べて大きいため、n型伝
導となるとされている(例えば、T.AONO及びS.AIZAWA
“Study on Thermal Gap of Bi-Sb Alloys"Tokyo Denki
Univ.参照)。
また、IV族元素Sn,Pbなどを数100ppm固溶させた単結晶B
i-Sbでは、極低温のいわゆる不純物領域ではp型伝導を
示すが、温度上昇と共にn型へ反転するという報告があ
る(例えば、W.Yim及びA.Amith,Solid-State Electroni
cs,1972,Vol.15,p.1141〜1165参照)。
従つて、極低温から室温近傍までp型となるBi-Sb系合
金から、単結晶製造を目的とするブリツジマン法やゾー
ンメルテイング法では作製不可能であり、従つて、この
ようなp型Bi-Sb合金は今だ発見及び製造されていな
い。なお、以下の記載では、極低温から室温までp型と
なるBi-Sbのみをp型Bi-Sb合金と呼ぶこととする。
発明が解決しようとする問題点 前記したように、Bi-Sb合金は低温で高い性能を示す熱
電材料として広く知られているが、n型材料しか作製で
きなかつたため、電子冷却用モジユールの脚部材料への
実用は行なわれていないのが現状である。
従つて、本発明の目的は、極低温から室温までp型とな
るBi-Sb合金およびその製造方法を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、電子冷却用モジユールの脚部材、
冷熱(源)発電用モジユールの脚部材料等に有用な、低
温、例えば77〜200゜Kにおいて高い性能を発揮するBi-S
b系熱電材料およびその製造方法を提供することにあ
る。
問題点を解決するための手段 本発明者の研究によれば、p型Bi-Sb合金を得るために
は、以下の組成とする必要があることが見い出された。
{(Bi100-xSbx)100-y▲EII y▼}100-z▲EI Z▼ ここで、EIはII族又はIV族元素を示し、EIIはIV・VI族
元素を示し、xは5〜20、yは0〜20、zは0.05〜10で
ある。(但し、上記合金組成を得るには、350〜800℃の
温度で完全に一液相となつている状態から急冷ロール法
などを用いて、強制固溶体を作製しなければならない場
合がある。) すなわち、本発明のBi-Sb系熱電材料は、Bi-Sb系母合金
として真性半導体となるBi100-xSbx(ここで、x=5〜
20)を採用すると共に、p型ドーパントとしてII族又は
IV族元素を0.05〜10at%添加し、また、実用に際して熱
電材料の性能を上げるため、必要に応じてIV・VI族元素
を0〜20at%添加するものである。なお、p型ドーパン
トとしてIV族元素を添加する場合には、上記IV・VI族元
素を添加する必要性はない。
上記p型Bi-Sb合金は、本発明の方法に従つて、溶融状
態にあるBi-Sb系合金を非平衡相になりうる冷却速度で
凝固させることにより得られる。具体的には、第1図に
示すような装置において、溶湯溜4にBi-Sb系合金3を
装填し、高周波コイル2で加熱し、Bi-Sb系合金を溶融
状態とする。一方、金属製ロール1(φ200mm,巾20mm程
度)を500〜4000rpmで回転させ、溶湯溜4より不活性ガ
ス圧(0.5〜4kg/cm2)により溶湯をロールに噴出させて
冷却凝固させる。なお、急冷ロール法を用いなくとも、
平衡凝固より多量のp型ドーパントを添加できる急速凝
固の方法(例えば急冷粉末)でp型Bi-Sb合金を作製す
ることは可能であろう。また、上記急速ロール法におい
ては、製造条件をロール回転数500〜4000rpm,ガス噴射
圧0.5〜4kg/cm2の範囲に設定しないと、良質な急冷膜が
得られないので、好ましくは上記範囲に設定する。
発明の作用 従来のブリツジマン法やゾーンメルテイング法では、p
型ドーパントが平衡凝固で固溶される量(数100ppm程
度)しか添加できないが、前記した本発明の方法による
と、平衡凝固量以上のp型ドーパントを添加することが
可能となり、その結果、従来作製不可能であつたp型Bi
-Sb合金が作製可能となる。
すなわち、前記従来技術の項で説明したように、IV族元
素を平衡凝固で数100ppm添加されたBi-Sb合金は温度上
昇と共にp→n型へ反転するが(第4図参照)、本発明
に従つてBi100-xSbx(x=5〜20)の真性半導体にp型
ドーパントとしてIII族又はIV族元素を0.05〜10at%添
加することにより、77゜K〜室温にてp型伝導を示すBi-
Sb合金が得られる(第2,5〜7図参照)。
これは、従来の方法によつて例えばp型ドーパントSnが
平衡凝固量以下添加されたBi-Sb合金の場合、低温では
p型ドーパントSnにより正孔濃度が電子濃度より高いた
めp型となるが、温度上昇と共に正孔と電子の濃度がほ
ぼ等しくなる真性伝導域になるため、移動度の大きな電
子が伝導を支配し、n型に反転するためで(第4図参
照)、同様の現象はSn以外のIV族元素Pbなどでも報告さ
れている(例えば、G.E.Smith及びR.Wolfe,Journal of
applied Physics ,Vol.33,841(1962))。これに対し
て、本発明のように平衡凝固量以上の0.05〜10at%のp
型ドーパントが添加された場合、添加されたIII族元素
(Al,Tl等)又はIV族元素(Sn,Pb等)により、室温近傍
でも以前正孔濃度の方が電子濃度より高い状態にあるた
め、P型伝導を示すと考えられる。
III族元素又はIV族元素の添加量が0.05at%未満となる
と室温近傍までp型伝導を示さなくなり、一方、上記元
素の添加量を10at%より多くすることは実用的に不適当
である。(実用的には、キヤリア濃度を1019〜1020程度
に制御する。) また、本発明のp型Bi-Sb合金には、実用に際し熱電材
料の熱伝導度を下げ、性能向上を図るために、p型伝導
を損なわない範囲でIV・VI族元素を添加してもよい。当
然のこと乍ら、IV・VI族元素は添加しなくてもよい。IV
・VI族元素の添加量は、20at%を超えるとBi-Sb系合金
としての熱電能が損なわれるため好ましくない。
実 施 例 以下、実施例及び比較例を示して本発明について具体的
に説明する。なお、本発明が下記実施例により何ら限定
されるものでないことはもとよりである。
実施例1 Bi88Sb12の組成をもつBi-Sb合金にp型ドーパントとし
てSnを1at%添加し、約600℃に加熱し、均一な液相状態
とした(1atm前後のAr雰囲気中)。この状態より、約10
00rpmで回転するCu製ロールにガス噴射圧約1.0kg/cm2
溶湯を噴きつけ、長さ約20mm、巾約2mm、厚さ約30μの
薄膜を作製した。
得られた膜のゼーベツク定数を測定したところ、第2図
に示す結果が得られた。
比較例1 Bi88Sb12の組成をもつ急冷薄膜を実施例1と同様の方法
で作製し、ゼーベツク定数を測定したところ、第3図に
示す結果が得られた。
比較例2 実施例1と同じ組成の合金を約600℃で均一な液相状態
とし、ブリツジマン法によつて温度勾配約40℃/cm、凝
固速度0.75mm/hrで凝固させ、直径10mm、長さ150mmのBi
-Sb素子を作製した。
素子の中央部のゼーベツク定数を測定したところ、第4
図に示す結果が得られた。
第2図から明らかなように、実施例1で作製された合金
薄膜((Bi88Sb1299Sn1の組成をもつ溶湯を急例法で
凝固させた薄膜)のゼーベツク定数は、77゜K〜室温ま
で正、すなわちp型伝導となつている。これに対し、第
3図に示されるように、比較例1のBi88Sb12の組成をも
つ合金は、77゜K〜室温までゼーベツク定数が負、すな
わちn型となつている。(これは、p型ドーパントを含
まないBi100-xSbx,x=5〜20の合金でも同様である。) 一方、比較例2において、(Bi88Sb1299Sn1の組成を
もつ溶湯よりブリツジマン法で作製した素子(実際は、
ブリツジマン法で作製すると、Bi88Sb12にSnは約0.03at
%しか固溶しないため、(Bi88Sb1299Sn1の組成は作
製不可能であり、Bi88Sb12にSnを0.03at%含む単結晶と
なる)のゼーベツク定数は、第4図に示すように、温度
上昇と共に正から負へ、すなわちp型からn型へ反転し
ている。
実施例2 {(Bi88Sb1295(PbSe)99Ga1の組成をもつ急冷
薄膜を実施例1の同様の方法で作製し、ゼーベツク定数
を測定したところ、第5図に示す結果が得られた。
実施例3 {(Bi88Sb1295(PbTe)99Tl1の組成をもつ急例
薄膜を実施例1と同様の方法で作製し、ゼーベツク定数
を測定したところ、第6図に示す結果が得られた。
実施例4 {(Bi88Sb1294(PbSe)99Al1の組成をもつ急冷
薄膜を実施例1と同様の方法で作製し、ゼーベツク定数
を測定したところ、第7図に示す結果が得られた。
発明の効果 以上のように、本発明の急冷方法によつて、Bi-Sb系母
合金としての真性半導体となるBi100-xSbx(x=5〜2
0)にp型ドーパントとしてのIII族又はIV族元素を0.05
〜10at%添加したBi-Sb系合金が得られ、この合金は、
従来作製できなかつた極低温(77゜K)から室温近傍ま
でp型伝導を示すp型Bi-Sb合金である。従つて、本発
明のp型Bi-Sb合金を従来のn型Bi-Sb合金と組み合わ
せ、電子冷却モジユールの脚部材料として用いることに
より、現在のBiTe系材料を用いた電子冷却での最大冷却
可能温度約−100℃(marlow社製M16030)を一気に−200
℃近くまで下げることが可能となるなど、多大の利点、
応用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の方法を実施する装置の一実施例を示
す概略構成図、第2図は本発明の実施例1で得られたp
型Bi-Sb合金薄膜のゼーベツク定数の温度変化を示すグ
ラフ、第3図は比較例1で得られた従来のn型Bi-Sb合
金薄膜のゼーベツク定数の温度変化を示すグラフ、第4
図はブリツジマン法で作製されたBi-Sb素子のゼーベツ
ク定数の温度変化を示すグラフ、第5図乃至第7図は実
施例2〜4で作製されたp型Bi-Sb合金薄膜のゼーベツ
ク定数の温度変化を示すグラフである。 1は金属製ロール、2は高周波コイル、3はBi-Bb系合
金、4は溶湯溜。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】{(Bi100-xSbx)100-y▲EII y▼}100-z
    ▲EI z▼ (但し、式中EIはIII族又はIV族元素を示し、EIIはIV・
    VI族元素を示し、xは5〜20、yは0〜20、zは0.05〜
    10である。) で示される組成を持つBi-Sb系熱電材料。
  2. 【請求項2】前記式において、EIがIV族元素であり、か
    つyが0である特許請求の範囲第1項に記載の熱電材
    料。
  3. 【請求項3】溶融状態にあるBi-Sb系合金を非平衡相に
    なりうる冷却速度で凝固させることを特徴とするBi-Sb
    系熱電材料の製造方法。
  4. 【請求項4】溶融状態にあるBi-Sb系合金を、500〜4000
    prmで回転する金属製ロールに噴射圧0.5〜4kg/cm2で噴
    きつけることによつて冷却凝固させる特許請求の範囲第
    3項に記載の方法。
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