リサーチハイライト

車の内燃機関をはじめとする多くの工業過程では、かなりの熱が発生する。この熱の一部を電気という利用しやすいエネルギーに変換することができれば、エネルギー消費を大幅に減らすことができる。熱電材料は熱をエネルギーに変換する材料であり、研究開発が盛んに行われている。

このたび、東北大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）の研究者らは、東北大学大学院理学研究科物理学専攻および化学専攻の研究者らと共同で、クラスレートとよばれる特に有望な熱電材料において、原子の運動がその熱的特性に影響を及ぼすしくみに関する研究を行った¹。研究チームを率いた谷垣勝己教授は、「クラスレートは、効率よく熱電エネルギー変換をおこなう材料の候補として、最も有望視されているもののひとつです」と話す。

クラスレートは、ゲスト原子を閉じ込めたカゴ状の化合物である（図1）。ホスト構造に対するゲスト原子の大きさによって、ゲスト原子がどれほど自由にカゴの中をガラガラと動き回れるかが決まる。このガラガラ（ラットリング）運動は熱の伝達を抑制するため、熱伝導率が著しく低下する。熱起電力は材料内の温度差に比例するため、熱伝導率が低いほど良好な熱電性能が得られる。この目的にはクラスレートのカゴ状構造が適しており、特に、カゴのサイズと比較してゲスト原子が小さいものが好ましい。

研究者らは、系統的な研究において、Sr₈Ga₁₆Ge₃₀ (SGG)とBa₈Ga₁₆Ge₃₀ (BGG)という2種類のよく似たクラスレート化合物の性質を詳細に調べた。SGGのゲスト原子はストロンチウムで、BGGのゲスト原子はバリウムである。ストロンチウムはバリウムよりも小さいため、SGG の方が良好な熱電材料となる。

クラスレートの熱伝導率に重大な影響を及ぼすのは、個々のカゴの中でのゲスト原子の運動である。この過程をよく理解するためには、原子運動の熱容量への寄与と電子輸送の寄与を区別することが重要である。研究者らは、異なる電子濃度をもつサンプルを慎重に作製することにより、電子が熱的特性に及ぼす影響と、ストロンチウムやバリウムの原子運動による影響とを分離することに成功した。

SGGが優れた熱電特性を示す理由については、BGGではカゴ内のバリウム原子が中心振動をしているのに対して、SGGのカゴ内のストロンチウム原子は非中心振動をしていて、ストロンチウムの原子運動と結晶中の電子との結合が強くなっているためであることが確認できた。谷垣教授は、「この強い結合が、SGGの優れた熱電性能を理解するカギとなることがわかったのです」と言う。「ゲスト原子の非調和的運動が熱伝導率を低く抑えているのです。ここから熱電材料の改良に向けた青写真が得られるかもしれません」。