【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.06】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NM5360
利用課題名 / Title
PbTe系熱電材料の相・組織評価
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
熱電材料/ Thermoelectric material,X線回折/ X-ray diffraction,電子顕微鏡/ Electronic microscope,電子回折/ Electron diffraction,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
服部 裕也
所属名 / Affiliation
物質・材料研究機構
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
廣戸孝信
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）,機器利用/Equipment Utilization
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-207：電界放出形電子線プローブマイクロアナライザー装置
NM-215：卓上型X線回折計_Cu_SMF
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本課題では、PbTe-PbS系熱電材料においてPbSナノ構造を析出させるための最適な熱処理条件を粉末X線回折、Electron Probe Micro Analyzer（EPMA）を用いて決定した。PbTe-PbS擬二元状態図にはスピノーダル・バイノーダル線が含まれ、適切な熱処理でナノ構造を析出させることができる。この析出物はフォノンの散乱体となり、電子の散乱には寄与しないとされているため、高い無次元性能指数zTが得られる。しかし電子散乱で重要となる界面付近の電子構造はこれまで実験的に決定されていない。今後本研究では、最適な熱処理条件を施したサンプルに対し、Scanning Tunneling Microscopy（STM）を用いて、PbTe-PbS界面付近の電子構造を決定する予定である。
実験 / Experimental
試料の合成では、Pb, Te, S単体（99.9999%、レアメタリック）をPbTe:PbS=90:10となるように秤量し、石英管に真空封入した。これを融点以上の温度（1000℃）で融解し、水冷することで多結晶試料PbTe-10at%PbSを得た。このサンプルに対し、低温アニール（200℃、250℃、300℃、400℃）を行い、PbS相を析出させることを試みた。アニール時間はいずれも24hで、得られたサンプルに対し、粉末X線回折、EPMA測定を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
まず水冷したサンプルに対し粉末X線回折をおこなったところ、PbSに由来するピークは見られず、PbTe中にPbSが一様に固溶していることが確認された。一方、300℃、400℃アニールのサンプルでは2θ=30.1°付近にPbSに由来するピークが観測された。200℃アニールのサンプルではピークが観測されず、250℃では弱いピークが観測された。PbSピークの半値幅によりPbS粒子の結晶粒径が評価でき、およそ50nm程度の粒径と予想された。スピノーダル分解に期待されるような5nm程度の粒径と比べると比較的粗大であり、核生成―成長機構により析出が生じたと考えられる。
STM測定では、清浄表面を得ることが必要である。PbTe-PbSが全率固溶している場合は劈開が容易であるが、PbS析出物密度が多くなると劈開が困難となることが予備実験により判明した。200℃～300℃の範囲での温度制御によりPbS析出物密度が制御可能であることが今回判明しており、最適な熱処理条件を施したサンプルに対し、STM測定を行う予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
粉末X線回折 PbSピーク付近 アニール温度による変化
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Yuya Hattori, Validity of the constant relaxation time approximation in topological insulator: Sn-BSTS a case study, Applied Physics Letters, 125, (2024).
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0215841
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 服部裕也，鴻池貴子，宇治進也，徳本有紀，枝川圭一，寺嶋太一，” Sr,NaドープPbTeにおけるBand Convergenceの実験的検証” 日本熱電学会学術講演会（茨城），令和6年9月25日
- 服部裕也，鴻池貴子，宇治進也，徳本有紀，枝川圭一，寺嶋太一，” Sr,NaをドープしたPbTeの電子構造とその温度依存性” 日本物理学会第79回年次大会（北海道），令和6年9月17日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件