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最近の研究成果
テルルを含む立方晶クラスター化合物に現れた高い熱電変換性能
熱電変換は、伝導電子の性質を利用した熱エネルギーと電気エネルギーの直接変換であり、局所冷却や環境発電の観点から大きく期待されるエネルギー変換技術です。Bi2Te3系材料を用いたペルチェ素子やPbTe系材料を用いた宇宙用電源などにすでに実用されていますが、スケールメリットがない、メンテナンスフリーであるといった特徴を活かしてより幅広い用途に供されるために、より高性能な次世代の実用材料候補の開発が必要です。熱電変換材料の性能は材料となる物質の物性によって主に決まり、より低い電気抵抗率、より高いSeebeck係数（単位温度差をつけたときの起電力）、より低い熱伝導率を同時に示すことが要求されます。Te（テルル）を含む化合物は、Bi2Te3やPbTeに代表されるように、高い熱電変換性能の実現の観点から有望であることが知られています。
我々は、新しい熱電変換材料の候補となるテルル化合物としてReSTeに着目しました。結晶構造を図(a)に示しましたが、Re（レニウム）とS（硫黄）からなる立方体のクラスターがTeに取り囲まれています。比較的単純な結晶構造をもつBi2Te3やPbTeと異なり、化学組成が単純な割に複雑な立方晶の結晶構造をもちます。スクッテルダイト、クラスレート、テトラへドライトなど、複雑な結晶構造をもつ立方晶化合物には高い熱電性能を示す有名な物質群が複数存在しており、同様の状況をテルル化合物で実現できるReSTeは熱電変換材料として有望と考えました。しかし、先行研究では小さい単結晶を用いた構造研究が中心に行われており、電子物性はほとんど未報告でした。
我々は、合成条件を工夫することで物性測定可能なReSTeの焼結体試料の合成に初めて成功し、さまざまな元素置換を行った焼結体試料を用いて熱電特性を調べました[1]。まず、元素置換を行わないReSTeの熱電特性を評価したところ、300 KにおいてS = 260 μV K-1の大きなSeebeck係数を示しながらρ = 20 mΩ cmの比較的小さい電気抵抗率を示し、本物質系が高い熱電変換性能を示すポテンシャルがあることがわかりました。そこで、さらに元素置換した試料の熱電特性を評価したところ、図(b)に示したように、400 °C付近において無次元性能指数ZT (ZT = S2T/ρκで定義される熱電変換のエネルギー変換効率の指標。κは熱伝導率)が最大で0.4に達することを明らかにしました。この値は、実用材料であるBi2Te3やPbTeには及ばないものの、本物質系が高い熱電変換性能をもつことを示します。第一原理計算によると、ReSTeは特徴的なバンド構造をもつことが明らかになっており、今後、熱電変換にとどまらず、興味深い電子物性を引き出せると考えています。
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(a) ReSTeの結晶構造．(b) ReSTeとRe0.993W0.007STe焼結体の無次元性能指数．
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[1] "Cubic ReSTe as a High-Performance Thermoelectric Material",
Haruka Matsumoto, Hiroto Isomura, Keita Kojima, Ryutaro Okuma, Hironori Ohshima, Chul-Ho Lee, Youichi Yamakawa, and Yoshihiko Okamoto, Applied Physics Letters 126, 243903 (2025).