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1998 年 10 月 29 日 第 18 回セラミックス電子材料研究討論会 @ 川崎 PowerPoint PPT Presentation


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1 P19. p 型酸化物熱電半導体の傾向. ( 千葉大 )○ 西山伸・牛島孝嘉・朝倉健作・服部豪夫. 1998 年 10 月 29 日 第 18 回セラミックス電子材料研究討論会 @ 川崎. H.T. L.T. e. e. e. ( + ). ( - ). V. ゼーベック効果. 熱電変換 素子を用いて熱と電気を相互に変換する方法. 特徴 小型軽量 無騒音 環境にやさしい 現状での利用 人工衛星用発電 腕時計 焼却炉の廃熱利用発電. 変換効率の高い 材料が必要!. 熱電変換材料に求められる特性. 高い変換効率

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1998 年 10 月 29 日 第 18 回セラミックス電子材料研究討論会 @ 川崎

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Presentation Transcript


1998 10 29 18

1P19

p型酸化物熱電半導体の傾向

(千葉大)○西山伸・牛島孝嘉・朝倉健作・服部豪夫

1998年10月29日 [email protected]


1998 10 29 18

H.T.

L.T.

e

e

e

(+)

(-)

V

ゼーベック効果

熱電変換素子を用いて熱と電気を相互に変換する方法

  • 特徴

    • 小型軽量

    • 無騒音

    • 環境にやさしい

  • 現状での利用

    • 人工衛星用発電

    • 腕時計

    • 焼却炉の廃熱利用発電

変換効率の高い

材料が必要!


1998 10 29 18

熱電変換材料に求められる特性

  • 高い変換効率

  • 高温安定性(耐熱性、化学的安定性)

  • p型-n型半導体

  • 環境安全性

- 高いゼーベック係数(α)

- 高い電気伝導度(σ)

- 低い熱伝導率(κ)

・熱電変換性能指数


1998 10 29 18

n

上部Habbardバンド

dバンド

EF

pバンド

p

下部Habbardバンド

pバンド

Mott-Habard絶縁体

電荷移動型

p型半導体酸化物

  • 遷移金属〔3d金属〕の電荷移動

  • 2p酸素中への強い電子間相互作用

  • 金属欠損あるいは過剰酸素によるholeの導入


1998 10 29 18

高効率 「p型」 酸化物熱電変換材料へのキー?

  • 低次元伝導体2次元金属のバンド端近傍でのランダムさの増加=>半導体化

  • 縮退半導体

  • ヤンテラー効果

  • ホッピング伝導(VRH)

遷移金属複酸化物


1998 10 29 18

高い熱電変換効率を持つ

p型の酸化物半導体の条件

仮説

  • 遷移金属酸化物が導電パスを形成し、

  • それが2次元平面となっている結晶構造をもち、

  • その2次元平面における電子雲の重なりができるだけ大きい

Isotropic conduction

Low-dimensional conduction

酸化物半導体

2種類の電気伝導のイメージ


1998 10 29 18

La2NiO4+d

エネルギー

・常温ではn型!

・700℃以上でpに変化

EF

p型

酸素ドープ

n型

O2p

Ni 3d

La2NiO4のエネルギー状態の予想図

La2(Ni,Co)O4のゼーベック係数の

温度依存性


1998 10 29 18

Nd2NiO4

エネルギー

  • 400~500℃で金属半導体転移

  • La2NiO4よりもさらにn型

  • 高温において過剰酸素量が変化

p型

EF

O2p

n型

酸素ドープ

Ni 3d

Nd2NiO4のエネルギー状態の予想図


1998 10 29 18

Ln2NiO4

Ln:La, Nd, Pr

・ La2NiO4とNd2NiO4は 完全固溶

・ a,b軸: 35pm 、c軸:300pm

 ⇒ Lnイオンはc軸長

(伝導層間距離)に

   大きく依存する。

(La,Nd)2O4+d の格子常数


1998 10 29 18

Ln2NiO4+dの電気伝導度

Ln: La1-xNdx (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1)および Pr

  • 400℃付近で金属-絶縁体転移

  • x = 0 と x = 1で電気伝導度は最大、x = 0.5の時最小。⇒移動度の低下

  • Pr2NiO4の電気伝導度La2NiO4と同程度

(La1-xNdx)2NiO4+d


1998 10 29 18

Ln2NiO4+dのゼーベック係数

  • 0より小さい ⇒ n型電子構造を考えるとp型と同様

  • 電気伝導度と対応した温度依存性


1998 10 29 18

Ln2NiO4+dでの格子常数と電気的性質の関係

金属-絶縁体転移(MIT)温度

Seebeck 係数 at 800℃


1998 10 29 18

NiOおよびNiLiO2の電気伝導度

(2次元構造)

(NaCl型)


1998 10 29 18

Co3O4および NaCo2O4の電気伝導度

(層状構造)

(スピネル構造)


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