利用同步加速器辐射成功观察到与热电转换性能相关的应变 - 对开发利用应变的新型热电转换材料的期望 -

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名古屋大学

演示要点

〇​通过将使用同步加速器辐射的精确结构分析和使用超级计算机的大规模晶体结构模拟相结合，我们成功地观察到了热电转换材料中少量缺陷原子周围的应变。
〇〇 世界上首次揭示半霍斯勒化合物能够有效地将钢铁厂的高温废热转化为电能，其高转换效率与材料中缺陷原子周围的应变有关。
〇〇利用这项技术，我们有望开发出利用“缺陷原子周围应变控制”的新型热电转换材料。

摘要

　热电转换发电（注1）可直接将工厂和汽车排放的热量转化为电能，发电时不排放二氧化碳，因此作为向脱碳社会过渡和实现可持续发展社会的关键的清洁发电技术而受到关注。

图 1。热电转换发电技术应用实例。通过将汽车发动机的废热转化为电能并重复利用，以及利用人体与外部空气之间的温差发电，预计可用作物联网传感器的电源。

研究内容/结果

因此，在本研究中，我们重点研究了具有高热电转换性能的半霍斯勒化合物NiZrSn合金。
为了准确找到缺陷原子周围的原子位置，需要计算包含多达100个原子的合金。使用国立自然科学研究所和计算科学中心的超级计算机进行大规模模拟后发现，缺陷原子周围的原子结构发生了约1%的扭曲（图2）。

图 2。理想的半霍斯勒化合物 NiZrSn 合金，无缺陷（左）。 NiZrSn合金是一种半霍斯勒化合物，其晶体结构由于Ni原子进入计算机模拟预测的空位（中）和原子位置移动（右）而部分扭曲。

图 3。　半霍斯勒化合物 NiZrSn 合金 Zr 和 Ni K 吸收边的 XAFS 测量实验值以及考虑缺陷原子导致周围晶体结构变形时 XAFS 测量的理论值。

社会意义

　为了向脱碳社会过渡并实现可持续发展的社会，需要进一步提高能够有效利用目前被丢弃的废热的热电转换发电技术的性能。为了实现这一目标，新材料的开发至关重要。此次我们成功观测到了热电转换材料中缺陷原子周围的应变，这将有助于新型热电转换材料的创造，未来我们有望积极利用这种应变结构来创造具有更高性能的新型热电转换材料。

未来展望

　本研究开发的观察晶体结构轻微变形的技术是一种可以应用于其他材料的方法。未来，预计通过将这项研究成果应用到其他功能材料中，在新型功能材料的开发方面将取得进展。

　这项研究是在文部科学省科学研究补助金（C）、名古屋大学同步加速器光研究中心/爱知同步加速器光中心使用支持系统、国立自然科学研究所/计算科学研究中心设施使用系统的支持下进行的，是自然出版集团的学术期刊11 月 13 日（日本时间 19:00）。

术语表

（注1）热电转换发电：当材料的两端施加温差时，由于塞贝克效应，材料的两端之间会产生电位差。热电转换发电就是利用这种电势差的发电方式。由于它没有发电用的驱动装置，因此免维护，并且发电时不会产生二氧化碳，因此作为一种清洁发电方式而受到关注。

（注2）X射线吸收精细结构（XAFS）：每种元素都具有特异性吸收该元素特有的X射线的能量（吸收端），当使用同步加速器辐射等连续能量的X射线时，可以获得X射线吸收光谱。通过分析该X射线吸收光谱，可以获得有关局部晶体结构的信息，例如周围原子的数量和距离。

论文信息

论文标题：探测半赫斯勒热电 NiZrSn 合金结构缺陷周围的局部变形
作者姓名：Hidetoshi Miyazaki、Osman Murat Ozkendir、Selen Gunaydin、Kosuke Watanabe、Kazuo Soda、Yoichi Nishino
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2020 年 11 月 13 日
doi:101038/s41598-020-76554-9
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