发现提高热电转换材料性能的新机制~元素的添加软化了材料中连接原子的弹簧~

V体育
高亮度光科学研究中心

演示要点

〇​发现添加元素可以软化热电转换材料中连接原子的弹簧
〇发现的新机制可用于实现热电转换材料所需的低导热系数
〇对开发高性能热电转换材料解决能源问题的期望

摘要

　V体育的研究小组，包括助理教授木村浩二、宫崎秀俊副教授、名誉教授西野洋一、林浩一教授和高亮度光子科学研究中心（JASRI）首席研究员筒井聪，正在使用X射线非弹性散射这一尖端测量技术¹⁾Fe₂VAl热电转换材料²⁾中添加Ti，连接材料内原子的弹簧会软化。这是由于元素添加而产生的热传导³⁾考虑费率降低的新机制。热电转换材料需要具有低导热率，本研究发现的机理可以得到很大的利用。未来，这项研究不仅有望实现可持续、安全、高效的热电发电，还能创造出连接原子的弹簧在其中发挥重要作用的新型压电和介电材料，以及高性能器件的开发。
　这个研究结果是2024年份9月28天发表在杂志上。

研究背景

　据说，世界上产生的能源大约有60%没有得到利用，而是以热量的形式浪费掉了。热电转换是一种可以将废热直接转化为电能的技术，作为解决能源问题的关键技术之一而备受关注。因此，世界各国正在积极寻求高性能热电转换材料的开发。
　热电转换材料需要具有难以实现的特性，例如电的良导体和热的不良导体。为了实现这些特性，通常会在材料中添加不同的元素。这是因为通过添加元素，可以控制电性能，并且如图1所示，可以抑制热传导并有效保持温差。

图1通过添加元素减少热电转换材料中的热传导

　如果我们用显微镜观察材料，我们可以想象原子以通过弹簧相互连接的方式排列。当原子振动时，您可以想象振动通过弹簧传播，这对应于热传导。如果在此添加比周围材料重的元素，则振动难以传递并且热传导受到抑制。因此，有人提出添加重元素作为开发高性能热电转换材料的指导方针之一。然而，据报道，许多材料中，即使添加重量与周围材料的重量没有显着差异的元素，热导率也会降低，并且关于潜在机制仍然存在许多谜团。

研究内容/结果

　这个研究小组是Fe₂我们专注于一种名为VAl的热电转换材料。据报道，这种材料的导热系数因添加各种元素而降低。图2(a)显示Ta（钽）和Ti（钛）₂这显示了添加到 VAl 的 V（钒）位置时热导率的变化。该图显示了元素周期表的一部分被剪掉的情况。从母元素 V 来看，Ta 是比它低两个周期的重元素，Ti 是位于它旁边的元素，重量几乎相同。当添加重元素Ta时，可以看到更大的降低，但是当添加Ti时，热传导的降低也很明显。然而，考虑到基础元素与Ti的质量差异较小，估计热导率几乎不会随着Ti的添加而降低，如图2中的虚线所示，这不能解释实验结果。我们可以预见，这里潜伏着一种无法用传统理解来理解的未知机制。

图2Ta和钛已添加铁₂VAL

因此，在本研究中，我们使用了一种称为X射线非弹性散射的方法来₂我们研究了 VAl 中原子的振动状态。利用这种方法，可以得到声子色散关系⁴⁾的相关性代表原子的振动状态。日本大型同步辐射装置SPring-8⁵⁾甚至在海外的一些地方。实验在光束线 BL35XU 上进行。另外，对于同一样品，使用BL02B2检查原子排列，Ta和Ti为Fe₂我已经确认它位于VA1的V位置。
　Fe添加Ta和Ti通过X射线非弹性散射得到图3(a)(b)₂这显示了VA1的声子色散关系，可见两者是有区别的。添加Ta的Fe₂在 VA1 中，出现了重添加元素特有的振动模式，如图 3(a) 底部的橙色突出显示，表明这种模式抑制了热传播。另一方面，在添加Ti的样品中，没有出现这样的振动模式，并且如图3(b)的上部所示，观察到晶格振动能量随着添加量的增加而降低。这表明由于Ti的添加，连接原子的弹簧变得更软。在添加钛的情况下，这种软化被认为降低了热传导。由于金刚石是世界上最硬的物质，具有世界上最高的导热率，因此预计如果它变软，其导热率就会降低。这样，可以看出，即使热导率降低，根据添加元素的类型，完全不同的机制起作用。特别是，通过添加Ti来软化弹簧是新发现的减少热传导的机制。
　接下来，关于软化的原因，关键在于图2中的元素周期表中Ti与V属于不同的族。这意味着价电子数不同，如图4(a)所示。原子由原子核和电子组成，远离原子核的外层电子是价电子。在由原子组成的物质中，价电子在原子之间介导并形成键。事实上，这就是连接原子的弹簧的真实本质，它看起来与图 4(b) 中所示的图像一模一样。可以理解，当这里添加不同基团的Ti时，原本没有多余或不足的价电子数发生变化，从而削弱键并使其变软，如图4(c)所示。相比之下，与V同属一个家族的Ta似乎没有这样的作用。换句话说，图3中的(a)和(b)之间的差异被认为是由于Ti和Ta之间与相邻原子成键所涉及的价电子数量的差异造成的。在SPring-8中，还可以研究材料中电子的性质，在这项研究中，我们实际测量了BL27SU中添加Ta和Ti的样品中参与键合的价电子状态的不同。

图3 源自 X 射线非弹性散射(a) Ta和(b) 钛已添加铁₂VAL的声子色散

　

图4(a) 钛和V的原子结构(b) 铁₂VAL和(c) 钛添加铁₂VAL

社会意义

　这一结果为设计和探索热电转换材料提供了新的轴。特别是，许多用于降低热导率的重元素都是稀有或有毒的，因此并不总是可以自由选择添加元素。这项研究为利用广泛的周期表（包括轻元素）开发低导热率的高性能材料铺平了道路。此外，最初使用具有不同价电子数的添加元素是为了控制电性能，但现在我们发现它们也会降低热导率，使得设计一种元素具有多种作用的资源节约型和环境友好型材料成为可能。未来，预计基于本研究发现的机理寻找材料将成为新趋势，进一步加速优异热电转换材料的开发以及晶格振动发挥重要作用的材料的创造，例如压电材料和介电材料。未来，预计将对热电发电积极利用的航空航天领域、正在积极研究并全面导入的汽车领域等产业领域产生连锁反应。

未来展望

　利用这次发现的机制，可以设计出不仅能减少热传导，还能增加热传导的材料。因此，这项研究的知识也可以用于需要散热的系统的设计，例如集成电路、汽车发动机和电池。未来Fe添加其他元素₂利用尖端同步辐射技术分析在VAl和其他材料系统中添加元素的效果，不仅在热电转换领域，而且在广泛的热管理领域⁶⁾领域产生连锁反应

　本研究得到日本学术振兴会科学研究补助金『学术转型领域研究』的支持(A)“超有序结构创造的凝聚态科学”（代表：林浩一）(20H05878, 20H05881)的支持下进行的和其他人。

术语表

1) X射线非弹性散射
一种通过用 X 射线照射材料所产生的散射 X 射线的光谱来分析构成材料的原子的振动状态的方法。由于它需要高强度的X射线和极其精确的光谱技术，因此只能在SPring-8等大型同步辐射设施上进行。

2) 热电转换材料
一种可以将热能转化为电能的材料。它利用塞贝克效应，当材料两端施加温差时会产生电动势。将工厂、汽车发动机等的废热转化为电能的研究和开发正在进行中，作为解决能源问题的一种方法引起了广泛的关注。

3) 热传导
材料内的电子运动和晶格振动都有贡献。在本文中，我们将仅考虑晶格振动引起的后一种贡献。

4) 声子色散关系
它将晶格振动捕获为粒子。这是理解复杂晶格振动的有用概念。声子色散关系通过将声子波数绘制在横轴上、将声子能量绘制在纵轴上来表示。

5) 大型同步加速器辐射设施 SPring-8
这是理化学研究所拥有的位于兵库县播磨科学园区城的大型同步辐射设施，可产生世界最高性能的同步辐射。用户支持由 JASRI 提供。 SPring-8 的名称是S上P霍顿环8源自GeV。人们正在利用同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。

6) 热管理
指热量的控制和管理，以将电子设备、汽车发动机和电动汽车电池等各种系统维持在适当的温度。近年来，随着电子设备的小型化，发热对策的重要性日益增加。

论文信息

论文标题：通过在热电霍斯勒化合物中发现的掺杂剂诱导声子软化增强隔热性
作者姓名：Koji Kimura、Satoshi Tsutsui、Hidetoshi Miyazaki、Shuma Nakagami、Yoichi Nishino、Koichi Hayashi
杂志名称：Acta Materialia
发布日期：2024 年 9 月 28 日
DOI：101016/jactamat2024120439
网址：

联系信息

研究相关

V体育物理与工程系
助理教授木村浩二
电话:052-735-5362
电子邮件：kimurakoji[at]nitechacjp​

高亮度光科学研究中心
首席研究员筒井聪
电话：0791-58-0802
电子邮件：satoshi[at]spring8orjp

公共关系很重要

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

高亮度照片科学研究中心利用促进部传播信息部
电话：0791-58-2785
电子邮件：kouhou[at]spring8orjp

*请将每个 [at] 替换为 @。