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2次元物質で高効率の熱電変換を実現 ~セレン化鉄の極薄膜化により室温で熱電性能が増大~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研),東京大学および東北大学は2019年3月5日,理研創発物性科学研究センター創発デバイス研究チームの清水 直研究員(研究当時),岩佐 義宏チームリーダー(東京大学大学院工学系研究科教授),東北大学金属材料研究所の塚﨑 敦教授らの共同研究グループが,鉄系高温超伝導体のセレン化鉄(FeSe)を極薄膜化することで,熱電効果(ゼーベック効果)が飛躍的に上昇することを発見し,高度に制御されたナノ物質の,熱電変換材料としての高い可能性を明確にしたことを発表した.本研究成果は,英国のオンライン学術雑誌Nature Communicationsに掲載された(注).本研究は,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)の科学研究費補助金などの支援を受けて行われた.

 物質の両端につけた温度差に比例して電圧が発生するゼーベック効果は,熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効果で,この熱電効果を利用することで排熱から電気エネルギーを取り出す熱電発電が可能となる.環境発電の有力な技術としても注目され,室温で優れた性能を持つ物質の開発が求められている.

 熱電エネルギーの変換効率は通常,性能指数Z,もしくはこれに温度Tをかけた「無次元性能指数ZT」によって比較評価される.このZTの定義は,ゼーベック係数S,電気伝導度σ,熱伝導率κ,温度Tを用いて,ZT=(S2σ/κ)Tと表され,特にS2σは「熱電出力因子」と呼ばれ,この値が大きい物質ほど大きな電力を取り出すことできると考えられている.一方,単層レベルのナノ薄膜(2次元物質)は,多彩な物性・機能を示す物質群として,世界中の物質科学者の興味を集め,精力的に研究されており,熱電変換材料としても期待されているが,試料作製や計測の困難さから,これまで熱電効果が観測された例はあまりなかった.

 共同研究グループは,この問題に挑戦すべく,物質として鉄系高温超伝導体の一種であるセレン化鉄(FeSe)の極薄膜を取り上げた.FeSeは超伝導転移温度Tcが約8K(-265℃)の超伝導体であるが,単層膜にするとTcが40K(-233℃)を超えることが知られている物質である.

 まず,ゲート電極となる金属とFeSeの間に電解液としてイオン液体を満たした電気二重層トランジスタを作製し,金属に電圧を加えて,電気化学エッチングによって膜厚を薄くしたときのFeSeのゼーベック係数と電気伝導度を,200K(-73℃)において調べた.その結果,膜厚が減少するにつれてゼーベック係数が増大し,膜厚1nmでは膜厚18nmのときの数百倍程度に,熱電出力因子は約10万倍に増大することが分かった.また,温度変化を調べたところ,熱電出力因子は,室温で約260μWcm-1K-2という非常に大きな値であり,Tc直上の50K(-223℃)では約13,000μWcm-1K-2に達することが分かった.これは,これまでに知られているあらゆる熱電物質よりも大きい.バルクの鉄系高温超伝導体の熱伝導率を用いてFeSe極薄膜の無次元性能指数ZTを予測したところ,室温では1.5程度,50Kでは16程度の極めて大きな値になった.これらの結果から,FeSe極薄膜が極めて優れた熱電物質であるとことが明らかになった.このことは,熱電発電材料としてナノ物質が大きな可能性を秘めていることを示す重要な指針になるとしている.

(注)S. Shimizu, J. Shiogai, N. Takemori, S. Sakai, H. Ikeda, R. Arita, T. Nojima, A. Tsukazaki, and Y. Iwasa, "Giant thermoelectric power factor in ultrathin FeSe superconductor", Nature Communications 10, Article number: 825 (2019), doi: 10.1038/s41467-019-08784-z; Published: 18 February 2019