北海道大学电子科学研究所太田宏道教授和米乐m6官方网站先进功能材料研究部高级研究员鹤田明宏领导的研究小组发现了一种实用的热电转换材料，该材料在空气中 600℃ 下表现出稳定的性能。热电转换作为回收工厂和汽车排放的废热的技术而受到关注。实用PbTe等金属硫族化物热电材料*1由于其热和化学不稳定且有毒，因此尚未大规模应用。与PbTe等材料相比，氧化物即使在高温下也基本不会氧化，因此有望成为可在高温下使用的热电材料，日本已积极研究了约30年。到目前为止一些热电转换品质因数ZT*2曾被提出，但由于重现性低而从未投入实际应用。 2020年，Ba1/3COO2室温下良好的品质因数ZT~011(https://wwwhokudaiacjp/news/2020/11/post-747html）。在这项研究中，Ba1/3COO2Ba1/3COO2外延薄膜*3的稳定性在高温和空气中，并测量了该稳定温度范围内的热电性能。结果，巴1/3COO2600℃空气中ZT~055。可以说，我们最终实现了一种实用的热电转换材料，在高温和空气中表现出高性能且具有良好的再现性。
这项研究的结果将于 2022 年 7 月 12 日星期二发布
ACS 应用材料与界面发表在杂志上（开放获取）。
巴1/3COO2晶体结构（左）和热电转换品质因数ZT的温度依赖性（右）
热电转换作为一种回收工厂和汽车排放的废热的技术正在引起人们的关注。实用的金属硫族化物热电材料如PbTe具有热稳定性和化学稳定性，并且有毒，因此尚未大规模应用。与PbTe等材料相比，氧化物即使在高温下也基本不会氧化，因此有望成为可在高温下使用的热电材料，日本已积极研究了约30年。热电材料的转换性能由品质因数决定ZT[=（热电）2×(电导率)×(绝对温度)÷(热导率)],ZT越高，热电转换效率越高。换句话说，（热电）2×(电导率)（这称为功率因数）越大且热导率越低，性能越好。实用p型PbTeZT在300℃至600℃的温度范围内约为07。到目前为止一些PbTe的氧化物ZT的热电材料，但不可重现，从未投入实际使用。在此背景下，2020年课题组1/3COO2室温下良好的品质因数ZT我发现它显示 ~011 (https://wwwhokudaiacjp/news/2020/11/post-747html）。在这项研究中，Ba1/3COO2Ba1/3COO2我们制作了外延薄膜，研究了室温下电阻率不变化的加热温度范围，并测量了该温度范围内的热电特性。
研究小组将从 Na 开始3/4COO2制备外延薄膜，然后用离子交换法制造Na3/4不同权重的 Ca1/3，老1/3，巴1/3AxCOO2外延薄膜(Ax= 钙1/3，老1/3，巴1/3) 已创建。然后，在空气中进行高温加热，调查即使加热后电阻率也不会变化的温度范围，并测定了该温度范围内的电导率、热电势和热导率。我们还对空气中高温（600℃）下的热电势进行了连续测量。
准备好了巴1/3COO2我们将外延薄膜在空气中以50℃的增量从室温加热到650℃，在该温度下加热30分钟，并检查其返回到室温后电阻率的变化。我们发现加热前后的电阻率没有变化，并且一直稳定到600℃（图1）。即巴1/3COO2可用作温度范围高达600℃的热电转换材料。接下来，我们测量了空气中高达600℃的热电性能。随着温度升高，功率因数增加，600°C 时约为 12 mW m−1K−2另一方面，热导率随温度升高而降低，600℃时约为19 W m−1K−1结果，品质因数ZT随着温度的升高而增加，在600℃时达到约055（图2）。该值对于氧化物来说是可重复的ZT最高价值实用热电材料PbTeZT（约 07）。此外，我们在空气中加热至600℃时连续两天测量热电势（图3），发现热电势没有变化，表明其稳定。从以上结果可以说，我们最终实现了一种实用的热电转换材料，该材料在高温和空气中表现出高性能且具有良好的再现性。
图1层状氧化钴AxCOO2（Ax= 钠3/4，加州1/3，老1/3，巴1/3)。 （左）制造后立即AxCOO2室温下薄膜的电阻率。巴1/3COO2约为 085 mΩ cm。 （右）在空气中以 50°C 的增量将温度升至 650°C，在每个温度下加热 30 分钟，然后在室温下测量AxCOO2薄膜电阻率的加热温度依赖性。巴1/3COO2室温下薄膜的电阻率即使在空气中加热至600℃也没有变化。
图 2 层状氧化钴AxCOO2（Ax= 钠3/4，加州1/3，老1/3，巴1/3)热电性质的温度依赖性。巴1/3COO2薄膜的功率因数随温度升高而增大，600℃时约为12 mW·m−1K−2另一方面，热导率随温度升高而降低，600℃时约为19 W m−1K−1结果，品质因数ZT随着温度的升高而增加，在600℃时达到约055。
图 3Ba1/3COO2600℃空气中薄膜的热电势。 （上）环境温度，（下）热电势。巴1/3COO2即使在大约2天后，薄膜的热电势仍为130至140 μV K−1
巴1/3COO2在实际应用中，大块晶体是必不可少的。我们目前正在进行大型单晶生长的研究，同时我们也在陶瓷的生产方面取得进展。今后，我们希望通过与企业的联合研究，致力于实际应用的研究。
这项研究是在日本学术振兴会科学研究资助金/新学术领域研究（研究领域提案类型）“功能核心材料科学”（领域代表：名古屋大学教授松永胜）下进行的。 19H05791）”和基础研究（A）“全固态热晶体管的创建（项目编号22H00253）。”
*本新闻稿中的所有数据均引用或修改自原始论文中的数据。
论文名称Ba1/3COO2：表现出可靠的热电氧化物ZT空气中600℃时~055（Ba1/3COO2：在600℃空气中可靠ZT热电氧化物显示 ~055)
作者姓名张曦1，张玉桥1，吴瑞奥2，鹤田昭宏3，三上雄二3，赵惠俊1，太田弘道1（1北海道大学电子科学研究所2北海道大学信息科学研究生院3产业技术综合研究所中部中心)
杂志名称ACS 应用材料与界面（美国化学会材料科学杂志，IF = 10383）
DOI 101021/acsami2c08555
发布日期：2022 年 7 月 12 日星期二（在线）