JP5139073B2

JP5139073B2 - ナノ構造のバルク熱電材料

Info

Publication number: JP5139073B2
Application number: JP2007545449A
Authority: JP
Inventors: チャン，ミンジュアン; ルー，ユンフェン
Original assignee: トヨタテクニカルセンター，ユー．エス．エー．，インコーポレイティド; ジアドミニストレーターズオブザトゥレーンエデュケーショナルファンド
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: US20060118158A1; EP1820224A2; JP5529653B2; CN101156255A; JP2010278449A; CN101656293B; WO2006062582A2; EP1820224B1; WO2006062582A3; JP2008523614A; CN100550450C; US7309830B2; EP1820224A4; CN101656293A

Description

本出願は、2004年12月7日に出願された米国特許仮出願No. 60/633,918の優先権を主張する2005年5月3日に出願された米国特許出願No. 11/120,731の優先権を主張するものであり、その内容は参照によって全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、熱電性質を有する物質、及び熱電デバイスに関する。

熱電デバイスは、熱的勾配から電気エネルギーを得るために（例えば、ゼーベック(Seebeck)効果を利用した熱電発電機）、又は電気エネルギーから熱的勾配を生成するために（例えばペルチェ(Peltier)効果を利用した熱電冷蔵庫で）利用することができる。以下の議論は効果に関するが、一般的コンセプトはペルチェ効果の応用にもあてはまる。

典型的な熱電デバイスは、いくつかのユニカップルから構成され、それらのユニカップルは普通、熱伝導性のｐ型（P）及びｎ型（N）半導体の対である。これらのユニカップルは電気的には直列に、熱的には並列に結合される。理論的には、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換の最大効率は次の式で与えられる。

上式中、Ｔ_ave＝(Ｔ_H+Ｔ_C)／２は平均温度であり、Ｚは性能指数であって、Ｚ＝Ｓ²σ／κと定義される。性能指数Ｚは物質のマクロな輸送パラメーター、すなわち、ゼーベック係数（Ｓ）、導電度（σ）、及び熱伝導度（κ）に依存する。高い性能指数は、大きなゼーベック係数、高い導電度、及び低い熱伝導度の熱電材料によって得られる。

ゼーベック係数はさらに、ゼーベック効果を示す回路の開放回路電圧の、高温接合部と低温接合部の間の温度差に対する比、すなわちＳ＝Ｖ／(Ｔ_H-Ｔ_C)、としても定義される。Ｚは温度と共に変わるので、有用な無次元の性能指数はＺＴと定義できる。

1950年代の終わり頃には、最良のバルク熱電材料はテルル化ビスマスとアンチモンの合金であり、その室温ＺＴは約１であることが見出された。熱電分野の研究者は、過去40年間この性能指数を改善する努力を続けてきたがあまり成功していない。ＺＴを増加させることが難しいのは、三つのパラメーターＳ、σ及びκがすべて自由担体濃度と結びついており、通常は独立でないためである。例えば、ドーピングは通常、半導体の導電度を増加させるが、そのゼーベック係数を低下させ、熱伝導度を増加させる。合金化によって格子の熱伝導度を減少させようという試みは、余分な散乱メカニズムを作り出すことによって導電度も減少させる。

ＭＩＴにおけるDresselhausとその仲間たちは、熱電材料のナノワイヤの内部に電子とフォノンを量子的に閉じこめるとＺＴの値が増加する可能性があることを理論的に示した。特に１−Ｄナノワイヤは、ナノワイヤの直径が５〜10nmの範囲にあると、ＺＴ＝２〜５に達する可能性がある。いくつかの構造が研究されており、例えば、Heremans, J. P. et al., “Thermoelectric Power of Bismuth Nanocomposite”; Phys. Rev. Lett.; 2002, 88, 216801; Venkatasubramanian, R. et al., “Thin-film thermoelectric devices with high room temperature figure of merit”; Nature; 2001, 413, 597-602; Harman, T. C. et al., “Thermoelectric quantum dot superlattices with high ZT”; Electron. Mater.; 2000, 29, L1-L4; Rabin, O. et al., “Anomalously high thermoelectric figure of merit in Bi1-xSbx nanowires by carrier pocket alignment”; APL; 2001, 79, 81-83; 及びDresselhaus, M. S. et al., “Low-dimensional thermoelectric m,aterials”; PPS; 1999, 41, 679-682、に記載されている。しかし、これらの研究は大きな寸法で低コストの熱電デバイスを作るための簡単なアプローチにならない。通常の半導体デバイス製造方法は、バルクサンプルを製造するのに不適当であり、多くの場合高価である。

自動車では、燃料から得るエネルギーの約70パーセントが廃熱及びエンジン冷却に失われる。燃料の燃焼で得られるエネルギーの一部のみしか利用されず、大量の熱エネルギーが投棄されている。エネルギー危機の高まりと共に、捨てられている熱エネルギーの回収が自動車産業にとって大きな課題になっている。熱エネルギーから電気エネルギーへの熱電変換が、さもなければ捨てられる熱から電気エネルギーを得る効果的な方法になるかもしれない。しかし、直接熱電変換（DTEC）テクノロジーは、現在二つの大きな難問に直面している。すなわち、変換効率が低いこととパワー密度が不十分であるという問題である。したがって、熱電変換効率の高い材料とデバイスが切実に必要とされている。

熱電複合材料は、二つ以上の成分を含み、その少なくとも一つは熱電材料である。この熱電複合材料はナノスケールの構造を有し、それがこの熱電成分の性能指数を高めている。

一例では、熱電複合材料は第一の成分と第二の成分を含む。第一の成分は半導体（例えば、ｎ型又はｐ型ドープ半導体）又はその他の電気導体であり、導電性のナノ構造ネットワーク、例えばナノワイヤ、ナノ粒子、又はその他の第一の成分のナノ構造を形成することができる。第一の成分は、テルル化ビスマス化合物、その他の半導体物質、他の電気導体、又はその他の認められるほどのバルク熱電効果を示す物質である。ナノ構造ネットワーク内部の量子サイズ効果は、第一の成分のバルク熱電性質を有利に変えることができる。第二の成分は、誘電体などの電気的絶縁体であってもよい。例えば、第二の成分は、シリカ、アルミナ、などの無機酸化物であってもよい。好ましくは、第二の成分は、熱伝導度が、第一の成分のそれよりも実質的に低い、例えば少なくとも10倍低い、又は100倍低い、又は（以下のほとんどの例におけるように）何桁も低い。熱伝導度が低い物質は、普通、電気的にも絶縁体であるから、第二の成分はシリカなどの電気的絶縁体である。しかし、半導体などの電気的導体も第二の成分として用いることができるということを理解しておくべきである。第二の成分は、第一の成分よりも実質的に低い熱伝導度を有するように選ばれる。

ある例では、熱電複合材料は、第二の成分を通って伸びる第一の成分の導電性ナノ構造ネットワークを含む。第一の成分は半導体又はその他の電気導体であり、第二の成分は電気絶縁体又は第一の成分よりも熱伝導度が実質的に低いその他の物質である。別の例では、第一の成分のナノ構造、例えばナノ粒子など、が第二の成分の間に分布している。

別の例では、熱電複合材料は第三、第四、又は追加の成分を含み、それらは機械的性質を改良するために、ナノ構造の形成を助けるため、熱伝導度を小さくするため、バルクの又は導電物質の領域間の導電度を高めるため、又はその他の目的で選ばれる。

別の例では、熱電複合材料は二つ以上の半導体成分を含み、そのうち少なくとも一つはナノ構造であり、オプションとして電気絶縁性の成分を含む。

別の例では、多孔質半導体の孔がセラミック物質又はその他の熱伝導度の低い物質で充填されている。孔は物質中で伸びていることも、密閉気孔であることもある。半導体物質は、例えばセラミックの粒子、空気間隙、などを含むことによって、低い熱伝導度の領域を含むように形成される。

本発明に係わる熱電複合材料は、さらに他の成分、例えば空気が満たされた間隙、ボイド、その他の電気絶縁体、機械的性質を改良するために加えられた成分、結合剤（例えば、粒子をベースとする複合材料の場合）、などを含むことができる。例えば、マトリクス物質は二つ以上の成分を含むことができ、好ましくはそれぞれが低い熱伝導度を有する。

熱電複合材料を形成する方法は、電気絶縁性のマトリクス物質のナノポアに電気導体（例えば、半導体）を取り込んで、電気絶縁性のマトリクス物質中に伸びる導電性のナノ構造ネットワークを構成するステップを含む。例えば、ナノ構造シリカに電着によって半導体を注入することができる。

熱電複合材料を形成する改良された方法は、自己組織化された両親媒性分子を分子テンプレートとして用いてナノ多孔質の電気絶縁性マトリクスを形成するステップを含む。次にこのマトリクス物質に、例えば電着によって半導体その他の電気導体が注入される。

熱電複合材料を形成する別の方法は、粉末混合物をホットプレスして、導電性のナノ構造ネットワークが内部に形成された機械的に安定な熱電複合材料とするステップを含む。ナノ構造ネットワークは、第一の成分のナノ粒子、又は内部構造に第一の成分のナノ構造を含む粒子、を含むことができる。

本発明は、高い変換効率を有する熱電デバイスで使用できる高い性能指数の熱電材料を含む。

本発明に係わる熱電材料のある例は、第一の成分と第二の成分を含む複合材料である。第一の成分は半導体又はその他の電気導体であり、ナノ構造を有し、量子閉じこめ効果が第一の成分の性質を変化させている。第一の成分の例は、従来のバルク熱電材料（すなわち、バルクで顕著な熱電性質を有する材料）である。この材料は、所望の必要な動作温度範囲に基づいて選ぶことができる。第一の成分として選ぶことができる物質としては、テルル化ビスマスとその合金、ビスマス−アンチモン化合物（ビスマス−アンチモン合金又はテルル化ビスマスと呼ぶこともある）、テルル化鉛（PbTe）、TAGS（(TeGe)_1-x(AgSbTe)_xの形の合金、ここでｘは約0.2である）、シリコンゲルマニウム合金（SiGe）、及びスクッテルダイト物質、例えばLaFe₃CoSb₁₂及びCeFe₃CoSb₁₂などである。第一の成分は、セレン化物又はテルル化物半導体であっても良い。他の物質については別のところで論ずる。

例えば、第一の成分は、テルル化ビスマスとアンチモンの合金、又はバルクでの無次元の性能指数がＺＴ＝約１である他の物質であってよい。第二の成分は、好ましくは、熱伝導度の値が低い、例えば電気絶縁体又は電気不良導体であってよい。第二の成分は、熱電材料である必要はなく、第二の物質のバルクサンプルは、バルクサンプルとして有用な（または認められるほどの）熱電効果を示す必要はない。第二の成分は、また、以下の実施例においてマトリクス物質、又はマトリクスと呼ばれる。

二つの成分の組み合わせ、すなわち複合材料は、低い熱伝導度、高い導電度、及び高いゼーベック係数の組み合わせによって、第一の成分のバルクサンプルの性能指数と比べて改善された熱電性能指数を示すことがある。複合材料の熱伝導度は、マトリクス物質の存在及び低い熱伝導度のために、第一の成分のバルクサンプルの熱伝導度よりも低くすることができる。第一の成分の構造による量子閉じこめ効果によって熱電複合材料の性能指数をさらに高めることができる。

例えば、第一の成分はナノ構造ネットワークにすることができる。ナノ構造ネットワークは、ナノワイヤを、例えば連結ネットワークとして含むことができる。連結ネットワークは三次元的であってもよい。例としては、セラミックマトリクス中に六角形又はキュービックの半導体ナノワイヤ又はナノメッシュアレーを含むナノ構造のバルク熱電材料があげられる。

ナノ構造はまた、ナノ粒子、又はその他の構造で特徴的なサイズ（ナノワイヤ又はナノ粒子の直径）がナノメートル（又はナノスケール）範囲にあるもの、例えば約0.5〜1000nm、例えば２〜20nmの範囲、にあるものを含む。すべての範囲は与えられた限界を含む。メソスケール、メソポア、メソ多孔質などの用語は、本明細書で用いられる場合、特徴的なサイズが５nm〜100nmの範囲にある構造を指す。ここで用いる場合、メソスケールという用語には、特別な空間組織又は製造方法は含意されない。したがって、メソ多孔質物質は、直径が５nm〜100nmの範囲にあって、秩序ある又はランダムに分布しているポア（孔）を含み、ナノ多孔質物質は直径が0.5nm〜1000nmの範囲にあるポアを含む。

別の実施例では、第一の成分はナノ粒子、又は第一の成分のナノ構造を含む粒子として用意される。例としては、半導体及びセラミック粒子から形成される、例えばセラミック粒子と半導体ナノ粒子の混合物のホットプレスによって作られる複合材料などがある。

本発明の実施例は、低い熱伝導度の値を有するマトリクス物質中の半導体ナノ構造のネットワークを含む。マトリクス物質は、電気絶縁物質、例えばセラミック又はその他の電気絶縁物質であってよい。

本発明に係わる熱電材料は、最小の物理的寸法が通常の薄膜より大きい、例えば0.1mmより大きい、例えば１mm以上である厚膜又はバルク物質であってよい。第一の成分の導電度は、第二の成分の導電度より100倍以上大きくてもよく、何桁も大きくても良い。導電性のナノ構造ネットワークは、ネットワークが三次元で連続している三次元連続ネットワークであってもよい。

本発明に係わるナノ構造熱電材料は、半導体（又は、金属などの他の電気導体）ナノワイヤ又はナノメッシュのネットワーク構造によって高い導電度（σ）を有し、量子閉じこめのためにナノワイヤ又はナノメッシュ構造のフェルミ(Fermi)レベル近くの状態密度が高くなるので大きなゼーベック係数（Ｓ）を有する。このナノ構造熱電材料は、マトリクス物質の低い熱伝導度により、またナノ構造によってフォノンの境界散乱が増加するために、非常に低い熱伝導度κを有するようにできる。これにより高い無次元の性能指数、ZT、が得られる。

前述のように、熱電材料の性能指数、Ｚは、ゼーベック係数（Ｓ）、導電度（σ）、及び熱伝導度（κ）によって、Ｚ＝Ｓ²σ/κと定義される。したがって、良い熱電材料は、大きな値のＳとσを有し、及び／又は低い値のκを有する。高い熱電性能指数（ＺＴ＞１）は低次元半導体構造によって得られる。量子サイズ効果は電子的及び熱的性質を調整して熱電効率を高める。しかし、量子ワイヤ、量子ドット、超格子構造などを従来の半導体デバイス処理方法によって調製することは複雑で高価な製造方法及び設備を必要とする。さらに、これらのアプローチでは従来、熱電材料の薄膜しか得られていない。

量子サイズ効果は次の二つの影響がある。（１）閉じこめ寸法が電子バンド構造とフォノン分散関係を変化させて離散的な電子状態密度とフォノン群速度の減少を生ずる（閉じこめ効果）；及び（２）低次元構造に存在する大きな表面積及び（ときには）界面面積が電子とフォノンの両方により多くの境界散乱を導入する（表面効果）。これらの効果の一方又は両方が本発明に係わる物質で重要になる。

ナノ構造及びその他の低次元構造によって得られる利点は、（１）フェルミエネルギーレベルの近くの状態密度が変化してゼーベック係数を増加させる、（２）物質境界でのフォノン散乱の増加が熱伝導度を減少させる、及び（３）ドーパント不純物をキャリアチャンネルから物理的に分離する機会、などである。本発明の実施例によるナノ構造複合材料は、これらの利点を組み合わせることを可能にし、さらにセラミックマトリクスなどのマトリクス材料によって低い熱伝導度を得ることもできる。

本発明による方法を用いて、厚膜又はバルク熱電材料を調製することができる。このようなバルク材料は、従来の方法によって調製される10〜100ミクロンの範囲にある薄膜よりも厚い。本発明による方法は、大きな寸法の熱電材料及び熱電デバイスを低コストで製造することを可能にする。

以下の実施例で、「セラミック」という用語は、無機の、非金属物質、普通は電気絶縁体で、金属と非金属元素の間で形成される化合物、例えばアルミニウムと酸素（例えば、アルミナ、Al₂O₃）、カルシウムと酸素（酸化カルシウムCaO）、などを指すのに用いられる。セラミックはまた、シリコンと窒素（例えば、窒化シリコン、Si₃N₄）、シリコンと酸素（シリカ、SiO₂）、及びシリコンと炭素（例えば、炭化ケイ素）などの間に形成されるカルシウムを含む。ここで用いられる場合、セラミックという用語は、また、ガラスも指す。セラミックという用語は焼成プロセスによって形成される物質に限定されない。

「セラミック」という用語は、ここで例示されるいろいろな実施例で用いられる物質、例えばシリカ（酸化ケイ素）をベースとするマトリクス物質を指すのに用いられる。しかし、他の電気絶縁性の又は低熱伝導度の物質も、例えば他の酸化物、窒化物、酸化窒化物、炭化物、ケイ化物、ホウ化物、なども使用できることは言うまでもない。

ここで用いる場合、「電気導体」という用語は、金属、半金属、半導体など、導電性物質を指す。ここで用いる場合、「半導体」という用語は、ドープされた半導体を含む。

例えば、Ｔ_H=500℃でＴ_C=50℃の場合、従来のＺＴ＝１の物質を用いることは、わずか８％という効率に対応する。ＺＴ＝３であれば、効率は約17％であり、ＺＴ＝５であれば、効率は約22％である。超格子ナノワイヤでは、理論的なＺＴは15より大きくなる。

熱電複合材料は、ナノ構造半導体を含む粒子、例えば半導体ナノ粒子、又はナノ構造半導体を含む粒子（例えば、セラミック物質中を通っている半導体ナノワイヤ、又は超格子構造）などを用いて形成できる。ナノ構造半導体を含む粒子は、オプションとして他の粒子（セラミック粒子及び／又は他の半導体粒子、など）と組み合わせて、粒子をプレスして高いＺＴの値をもつバルク物質にすることができる。

図１は、本発明のある実施例による改良された熱電材料を用いた熱電デバイスの形態を示す。

このデバイスは、熱源１０，第一の導電層１２，第一の熱電材料１４，第二の熱電材料１６，第一の電気接点１８，第二の電気接点２０，熱シンク２２，及び電気リード２６によって熱電デバイスに結合された抵抗性負荷２４を含む。

この実施例では、第一の熱電材料はｎ型半導体を含み、第二の熱電材料はｐ型半導体を含む。熱源から熱が与えられると（Ｔ_H＞Ｔ_C）、図１に示された方向に電流が発生する。

別の実施例では、第一及び第二の電気接点の間に、デバイスに熱勾配を発生させるように、電気ポテンシャルが印加することができる。

ある実施例では、第一の熱電材料はナノ構造ｐ型半導体を第一の電気絶縁性マトリクス物質内部に含み、第二の熱電材料はナノ構造ｎ型半導体を第二の電気絶縁性マトリクス物質内部に含む。第一及び第二のマトリクス物質は同じであっても異なっていてもよい。

図２は、熱電デバイスのあるユニカップルを示す。デバイスは、熱源と熱的に連通させることができる第一のセラミック層４０，金属層４２，４４及び５０などのニッケル電気パッドを有する第一及び第二の熱電材料４６と４８，第一及び第二の電気接点それぞれ５２と５４，及び熱シンクと熱的に連通させることができる第二のセラミック層５６を含む。

このユニカップルに対応する熱回路６６は、高温の貯蔵部Ｕ_Hから低温の貯蔵部Ｕ_Cへ、熱電脚部（leg）Ｕ_TEを通る熱伝達に対する熱抵抗を含む。Ｕ_TE＝Ｌ/σＡ、ここでＬは脚部（leg）の長さ、Ａは断面積、σは熱伝導度である。Ｕ_HとＵ_Cはセラミックプレートの熱抵抗、並びに高温側から低温貯蔵部への熱伝達係数を含む。

図２Ａは、第一の熱電材料の可能な構造を示す。熱電材料（すなわち、第一及び／又は第二の熱電材料）は、シリカナノチューブ６０などのマトリクス物質内部にｐ型半導体ナノワイヤ５８を含むことができる。あるいはまた、熱電材料は、マトリクス物質６４の内部にｐ型半導体ナノメッシュ６２を含むこともできる。あるいはまた、熱電材料は、半導体のナノ粒子６８を、オプションとしてセラミック物質の粒子又はナノ粒子との混合で含むこともできる。

半導体ユニカップルに用いることができる物質の例が表１にリストされている。これらの半導体物質のデポジション方法は当業者に公知である。

当業者に公知の他の半導体も使用できるし、やはり当業者に公知の適当なドーパントをｎ及びｐ型半導体物質を得るために必要に応じて用いることができる。例えば、半導体はビスマス、テルル、アンチモン、錫から成る群からの一つ以上の元素を含むことができる。例えば、ｎ型物質はハロゲンがドープされたビスマス−テルル化合物（テルル化ビスマスとも呼ばれる）であってもよい。

熱電材料の製造
本発明に係わる材料及びデバイスを製造するために、いろいろな方法を用いることができる。例えば１）多孔質マトリクス、例えばメソ多孔質シリカセラミックマトリクス又は多孔質モノリスを電気化学的方法によって充填する、２）セラミック／半導体ナノ複合粒子（例えば、セラミックマトリクス中を通っている半導体ナノワイヤを有する粒子）を含む粉末をホットプレスする、及び３）セラミック粒子と半導体ナノ粒子の混合物を含む粉末をホットプレスする、などである。「粉末」という用語は、一つ以上のタイプの粒子を含む粒状物質を指す。多孔質モノリスはセラミック粉末をホットプレスして形成できる。これらのアプローチやその他のアプローチについては以下でさらに詳しく説明する。

実施例のアプローチでは、熱電複合材料に用いられる成分は、ボールミル粉砕、超音波、又は何らかの機械的方法によって混合される。混合プロセスが各成分のサイズ分布を変化させることがある、例えばボールミル粉砕を用いてナノスケールの粒子を生成できる。

混合される成分は、混合プロセスで粒子を形成する物質粒子、ファイバー、結晶、コロイド、スラリー、フィルム（例えば、混合の間に破壊されるフィルム）などの形、又はその他の形で提供される。混合は、乾燥状態で、又は液体、ゲル、又はその他の媒質中で行われる。混合中又は混合後に流体成分を除去するために熱的及び／又は真空工程を用いることができる。

混合後、混合物は固化プロセスにかけられ、ばらばらの粉末が固められてモノリシック形態になる。固化プロセスは、混合物に圧力、温度、及び／又は放射線を印加するステップを含む。固化プロセスとしては、熱間等方圧プレス（HIP）、ホット一軸プレス、ホットプレス、冷間等方圧プレス、その他のプレス方法、レーザー照射（例えば、レーザー焼結）、マイクロ波照射、他の電磁放射の照射、超音波照射、ショック圧縮又は焼結、一つ以上の成分の溶融（軟化又は表面溶融を含む）、電界焼結、プラズマ焼結、又はその他の方法、又は方法の組み合わせ、などがある。

熱電複合材料を形成する他の方法は、ナノ多孔質の第一の成分を用意するステップ、及び第一の成分のポア（孔）に第二の成分を充填するステップを含む。第一及び／又は第二の成分は熱電材料質である。ナノ多孔質の材料は、発泡体、メッシュ、又はその他の形態がある。

混合物は結合材を、例えば、他の成分よりも低い温度で融解する第三の成分として含むことができる。

メソ多孔質物質をマトリクス物質として用いることができる。メソ多孔質物質は、ポアアレーを、例えばナノポアアレーを含む、陽極処理されたアルミナ、アルミノシリケート、シリカ、などである。本発明の実施例では、メソ多孔質物質の内部に形成される半導体ナノワイヤを、キュービック又はその他の対称構造で連結することができる。

メソ多孔質シリカ内部への半導体の電着
メソ多孔質シリカモノリスをテンプレートとして用いて、電着によってナノワイヤ及びナノメッシュモノリスを製造する方法は次の二つのステップを含む。１）シリカテンプレートの作成、及び２）テンプレートのメソ多孔質チャンネル内部での金属又は半導体の電気化学的成長。メソ多孔質シリカはいろいろな方法で製造できる。マトリクス物質はまたどんな多孔質物質であってもよく、ポア（孔）構造はナノスケールの特徴を含むものでもよい。

図３は、両親媒性分子（界面活性剤など）のいろいろな構造、例えばミセル、及び六角形、キュービック、又は層状液晶メソフェーズなど、への自己組織化の典型的な相図を示す。図は、いろいろな濃度の水（又は他の溶媒）、両親媒性分子（界面活性剤）、及びオイルなど、第三の成分に関する典型的な複雑な相図を示している。両親媒性分子の自己組織化は、我々が知る限り、熱電材料の調製に用いられたことはない。

シリコン含有化合物（ケイ酸、テトラエトキシシランなどのシラン誘導体、シリケートクラスターなど）と一つ以上の界面活性剤は、共組織化によってvan der Waals力、静電的結合、又は水素結合などの非共有結合によって秩序づけられた界面活性剤のリオトロピック液晶相を含むシリコン含有化合物／界面活性剤ナノ複合材料を形成することができる。仮焼又は溶媒抽出によって界面活性剤を除去すると液晶状界面活性剤アセンブリのメソ多孔質シリカレプリカが得られる。

図４は、多孔質シリカを形成する方法を示す。シリコン含有化合物（加水分解可能なシリコン含有化合物、例えばSi(OH)₄）が、親水性ヘッドグループ８０と疎水性の鎖８２を有する両親媒性分子の自己組織化された構造に結合される。すると、シリコン含有基を加水分解することによって、シリカ壁８４を有する有機／無機複合材料が生成される。８６におけるシリカ壁の断面は両親媒性分子の疎水性の鎖を示している。その後の熱処理で有機成分は追い出されるか又は分解してシリカナノチューブ９０の列が残される。このように、自己組織化された有機分子構造がテンプレートとして働いてシリカナノチューブなどのシリコン含有物質が形成される。ナノチューブを少なくとも部分的に半導体で充填することによって改良された熱電材料が得られる。

この方法を用いて、メソ多孔質シリカ薄膜、粒子、ファイバー、又はモノリスを調製することができる。これらの界面活性剤テンプレートによるメソ多孔質シリカ物質は、六角形、キュービック、又は層状に配列したポアチャンネル８８を含み、２nmから20nmまでに制御できるユニモーダルな（単一ピークの）ポア（孔）直径を有する。このプロセスは、熱電材料の調製にこれまで用いられたことがなかった。

コントロールされたポア（孔）構造をもつメソ多孔質シリカテンプレートは界面活性剤テンプレート化アプローチを用いて調製できる。いろいろな界面活性剤（下の表２参照）、界面活性剤濃度、及び合成条件を用いて、テンプレートのメソ多孔質構造をコントロールすることができる。ポア（孔）サイズは、異なる分子量の界面活性剤、並びに疎水性ミセルに組み込んでテンプレートサイズを大きくすることができる疎水性膨潤剤（例えば、トリメチルベンゼン）、によってコントロールすることができる。分子量の大きい界面活性剤又は膨潤剤を用いると、通常、ポア（孔）サイズは大きくなる。メソ多孔質ネットワークの空間構造をコントロールするために、適当な界面活性剤、界面活性剤濃度、及び合成条件を選んで、いろいろな形及び連結性のポアチャンネルを生成することができる。

下の表２はポアテンプレートとして使用できる界面活性剤の例を示す。

半導体は、多孔質チャンネル内部で電気化学的方法又はその他の方法によって、例えば以下に記載されている方法によって成長させることができる：M. S. Martin-Gonzalez et al., “Insight into the Electrodeposition of Bi₂Te₃”, J. electrochem. Soc. Vol. 149, pp. C546-C554 (2002); M. Takahashi et al., “Preparation of Bi₂Te₃ Films by Electrodeposition from Solution Containing Bi-Ethylenediaminetetraacetic Acid Complex and TeO₂”, J. Electrochem. Soc., Vol. 150, pp. C169-C174 (2003); A. L. Prieto et al., “Electrodeposition of Ordered Bi₂Te₃ Nanowire Arrays”, J. Am. Chem. Soc. Vol. 123, pp. 7160-7161 (2001); and J. P. Fleurial et al., “Electrochemical deposition of (Bi, Sb)₂Te₃ for thermoelectric microdevice”, in Thermoelectric Materials 2000: The Next Generation Materials for Small Scale Refrigeration and Power Generation Applications, Proc. Mat. Res. Soc. Vol. 626, ed by T. M. Tritt et al., (MRS Wannendale, PA, 2001) p. Z11.3; M. S. Sander, R. Gronsky, T. Sands and A. M. Stacy, “Structure of Bismuth Telluride Nanowire Arrays Fabricated by Electrodeposition into Porous Anodic Alumina Templates”, Chem. Mat., Vol. 15, pp. 335-339 (2003); S. Heini, “Electrodeposition of PbS, PbSe and PbTe thin films”, VTT Publications Vol. 423, pp. 1-137 (2000); Melosh, N. A. et al., “Molecular and Mesoscopic Structures of Transparent Block Copolymer-Silicia Monoliths”; Macromolecules; 1999, 32, 4332-4342; Pang, J. B. et al., “A novel nonsurfactant pathway to hydrothermally stable mesoporous silicia materials”; Microporous and mesoporous Materials; 2000, 40, 299-304; Pang, J. B. et al., “Preparation of mesoporous silicia materials with non-surfactant hydroxyl-carboxylic acid compounds as templates via sol-gel process”; Journal of Non-Crystalline Solids; 2001, 283, 101-108; Yang, H. et al., “A fast way for preparing crack-free mesostructured silicia monolith”; Chemistry of Materials; 2003, 15, 536-541, and Wang, D. et al., “Electrodeposition of metallic nanowire thin films using mesoporous silicia templates”, Advanced Materials (Weinheim, Germany); 2003, 15, 130-133. 他の方法を用いることもできる。

界面活性剤に基づくアプローチを用いると、ナノワイヤの直径は２nmから20nmまでコントロールでき、体積密度は30％から70％までコントロールできる。その他の直径及び体積密度も実現できる。ナノワイヤの組成はシステム温度に基づいて選ぶことができる。例えば、Bi-ドープされた及びPbTe-SnTe（n-型）PbTe-SnTe（p-型）は、500-700Kの温度範囲で用いることができる。連続な、量子閉じこめ、及び高密度ナノワイヤネットワークを製造でき、それによって効率とパワー密度が改善され、デバイスがずっと容易に、例えばコントロールされたマクロな寸法を有するナノワイヤ又はナノメッシュモノリスから製造できるようになる。

図５Ａは、三次元のポアチャンネルを含むメソ多孔質シリカテンプレートを用いるナノメッシュ薄膜の製造を示す。最初に、シリカ壁１０４によるポア（孔）１０２を有するメソ多孔質シリカ薄膜が作業電極として働く導電性基板１００にコーティングされる。電着が導電性基板から秩序あるポアチャンネル内部で半導体を連続的に成長させ、シリカ壁１０８の内部に連続する金属又は半導体ナノメッシュアーキテクチャー（例えば、１０６）を含むシリカ／半導体ナノ複合材料が得られる。

図５Ａに示された例は、半導体（又は、他の電気導体）成分と電気絶縁体成分がどちらも連続しているという意味で双連続構造である。電気絶縁体成分は連続ネットワークを形成する必要はない。例えば、半導体ナノ構造ネットワークが電気絶縁体粒子のまわりに半導体によって拡がり、電気絶縁体粒子が互いに孤立していてもよい。

電着は、界面活性剤アプローチによって作られた構造に限らず、どんな多孔質構造でも用いることができる。

図５Ｂは、メソ多孔質テンプレートへのナノ構造半導体の電着に使用できる装置を示す。装置は、ガラス基板１２０，導電性電極１２２，ナノ多孔質テンプレート１２４，基準電極１２８，対電極１３０，及び電解質１３２を含む。ナノ多孔質テンプレートの内部で、ナノワイヤが電極のすぐ近くからスタートして成長し、１２６に示されているような領域内部にナノ構造複合材料が得られる。

実施例１
多孔質シリカテンプレートが界面活性剤をポロゲンとして用いて調製された。用いられた界面活性剤は、PLURONIC界面活性剤P123(EO₂₀PO₇₀EO₂₀), F127 (EO₁₀₀PO₇₀EO₁₀₀), Brij-58(C₁₆H₃₃EO₂₀),及びセチルトリメチル臭化アンモニウム（CTAB）などである、ここでEOとPOはそれぞれ、エチレン及びプロピレンオキシドを表す。テンプレートは界面活性剤テンプレート化プロセスによって調製された。F127, P123, Brij-58, 及びCTABによってテンプレート化されたポア（孔）の平均ポア直径はそれぞれ、約12、９、６、及び２nmであった。

テルル化ビスマスは三電極デポジション回路を用いてデポジットされた。１ＭのＨＮＯ₃溶液に溶解された0.075 Mビスマス及び0.1 Mテルルが前駆体溶液及び電解質として用いられた。デポジションは、Ag/AgCl基準電極とPt対電極を用いて、0.1 V vs. Ag/AgClで行われた。デポジションは、室温で行われた。

XRDパタンとTEM観察は、セラミックマトリクスがもつれ合っている状態で、直径が約６nm、９nm及び12nmのBi₂Te₃ナノワイヤがデポジットされたことを確認した。

図６は、エレクトロデポジットされたBi₂Te₃ナノワイヤのTEM画像を示す。サンプルのEDXは、Bi₂Te₃の形成を確認し、原子パーセンテージは37.46% Bi, 62.54% Teであった。

図７は、エレクトロデポジットされたBi₂Te₃ナノワイヤのHRTEM画像を示す。

実施例２
PLURONIC界面活性剤P123をテンプレートとしてゾル−ゲル法によって、キセロゲルメソ多孔質シリカが作製された。調製された状態の六角形メソ構造シリカのポア（孔）直径は約９nmであった。Bi₂Te₃の前駆体溶液は、60℃の150mL 6M HNO₃に0.00225 mol Teと0.015 mol Bi(NO₃)₃5H₂Oを溶かして調製された。

キセロゲルメソ多孔質シリカの粉末５gが７mLの前駆体溶液に加えられた。サンプルは３minの間液体窒素に入れられた。真空でガス抜きした後、サンプルは室温に暖められた。遠心分離によってシリカ粉末が前駆体溶液から分離され、真空中で100℃で熱せられて溶媒が除去された。メソ多孔質物質の内側へのテルル化ビスマスの装填を高めるために、上記のプロセスが３及び８サイクル行われた。

浸潤後、Bi₂Te₃前駆体溶液を含むメソ多孔質シリカは管状炉に入れられた。水素を流しながら、温度を450℃に上げ、この温度で30時間保たれた。

図８Ａは、Bi₂Te₃メソ多孔質シリカ複合材料のTEM画像であり、キセロゲルシリカのきわめて秩序あるメソスケールチャンネルへの部分的浸潤がはっきりと認められる。

図８Ｂは、キセロゲルシリカを希ＨＦ（５wt％の水溶液)に溶解した後の直径が10nm未満のBi₂Te₃ナノワイヤを示す。

図８Ｃは、Bi₂Te₃ナノワイヤの高分解能電子顕微鏡（HREM）画像を示し、それらが単結晶であることを示している。

図８Ｄは、HFを用いてシリカテンプレートを除去した後のBi₂Te₃メソ多孔質シリカ複合材料のTEM画像を示す。

窒素吸着実験は、典型的なメソ多孔質シリカサンプルのポア体積が0.6472cm³/gであることを示す。すべてのポア（孔）をテルル化ビスマスで充填できると仮定すると、各サイクルの浸潤後、Bi₂Te₃メソ多孔質シリカ複合材料におけるBi₂Te₃の装填が２wt％になる。したがって、８回の浸潤後には、Bi₂Te₃の全重量含有量は、浸潤後にポア体積の顕著な減少がないとすると16％になる。

図９Ａと９Ｂは、セチルトリメチル臭化アンモニウム（CTAB）及びBrij-58(CH₃(CH₂)₁₅(OCH₂CH₂)₂₀OH)界面活性剤をそれぞれ用いて調製されたメソ多孔質シリカ薄膜の代表的TEM断面画像を示す。CTABをテンプレートとした薄膜（図９Ａ）は、秩序ある２Ｄ六角形メソ構造に配置された渦巻き状のポアチャンネル（ポア（孔）直径約３nm）を含む。B58をテンプレートとした薄膜（図９Ｂ）は、秩序ある３Ｄキュービックメソ多孔質ネットワークに配置されたポアチャンネル（ポア直径約５nm）を含む。この秩序あるメソ構造の選択部位電子回折像が図９Ｂの挿入図に示されている。同様に、メソ多孔質シリカモノリスを同じ作製プロセスによって調製し、例えば、図５Ｂの装置を用いる電着によって半導体を充填することができる。これらの代表的なTEM画像は、コントロールされたポアサイズ及びポア（孔）幾何形状（例えば、六角形及びキュービックポアネットワーク）のメソ多孔質シリカテンプレートを作製する効率的アプローチをはっきりと示している。

ナノワイヤ構造は、テンプレートのポア（孔）構造によってコントロールできる。例えば、２Ｄ六角形ポアチャンネルを含むテンプレートは２Ｄナノワイヤの作製を可能にする。他方、３Ｄ連結ポアチャンネルのテンプレートを使用すれば３Ｄナノワイヤの作製が可能になる。このような連結ネットワークは、電子輸送のための連結度がきわめて高い経路を提供する。

電着
電着の条件及び前駆体組成を変えることによって、化学的組成とドーピングに対するコントロールを改善できる。例えば、CdSe, CdTe, CdS, PbSe, PbTe, 及びPbSなどの半導体をメソ多孔質チャンネル内部にデポジットできる。このような組成コントロールは、さらにデバイスの輸送性質の調整を可能にする。

水素気泡を生成する副反応が起こって、その気泡がポアチャンネルの内側にトラップされ、反応物質の核酸をブロックする可能性がある。デポジション条件（例えば、濃度、電位、電流、温度、及び攪拌速度）及び異なるデポジション方法の使用（例えば、パルスデポジション）を調整して副反応をできるだけ減らし、質量輸送と反応速度をコントロールして、実質的に完全なポア充填を実現し、組成コントロールを改善し、メソ構造の精密な再現を達成できる。

単一モノリスのナノ構造複合材料内でｎ型とｐ型の両方の脚を有するデバイスを調製できる。ｐ型の脚における高いホール濃度は、半導体に高い原子価の金属イオンをドープすることによって、又は陰イオン部位の欠乏を生成することによって、又は陰イオンをもっと低い原子価の陰イオンで置き換えることによって得られる。例えば、ｐ型Bi₂Te₃は結晶構造でBi³⁺をSn⁴⁺で置き換えることによって、又はTe^2-部位の欠乏（例えば、Bi₂Te_3-x、x>0）を作り出すことによって、又はTe^2-をもっと低い原子価の陰イオンで置き換えることによって得られる。

カソード電位をコントロールすることによって、化学量論的及び非化学量論的（ｐ型とｎ型の両方）Bi₂Te₃をデポジットできる。電解質溶液に鉛イオンを導入することによるｎ型Bi₂Te₃の電着も可能である。

このように、バルク多孔質媒質（メソ多孔質セラミックなど）を提供し、ポアの内部に半導体をデポジットすることができる。例えば、Bi₂Te₃又はその他の半導体をモノリシックメソ多孔質シリカにエレクトロデポジットすることができる。ドーパント（ｎ型及びｐ型ドーパントなど）を真性半導体のナノポアに沿って浸潤させて導電性のナノ構造ネットワークを得ることができる。

粒子から形成される複合材料
粒子は内部ナノ構造を有するものであってもよい。粒子は、半導体を浸潤させたナノ多孔質絶縁物質を粉砕して形成できる。粒子はセラミック又はその他の電気的に絶縁性の物質内部にナノ構造の包含物を有する。

図１０は、粒子１４０の混合物を示し、それは内部ナノ構造の一部としてナノワイヤ１４２などの半導体ナノワイヤを含むセラミック粒子と、半導体ナノ粒子１４４である。この混合物をプレスして（例えば、ホットプレスして）円板又はその他のバルク形態の熱電材料を形成することができる。セラミック粒子はまた、内部ナノ構造にナノワイヤを有するように調製できる。

別の例では、ナノ構造複合材料を粒子１４０から、半導体粒子なしに形成できる。粒子間の接触によって連続した半導体ネットワークが得られる。粒子に半導体の殻を設けることもできる。

セラミック／半導体ナノ複合材料は、また、多孔質セラミック粉末の内部に半導体（又は半導体前駆物質）を浸潤させて調製することもできる。多孔質セラミック粉末は、界面活性剤テンプレート法によって調製されるメソ多孔質シリカ、又はその他の市販されている多孔質セラミック粉末であってもよい。半導体前駆物質は、気体（水和物など）又は液体物質であってよい。

熱電ナノ複合材料は、また、HIPプロセスを含む方法によっても製造できる。出発物質は、セラミック粒子、半導体粒子、及び半導体浸潤セラミック粒子などである。セラミック粒子は、メソ多孔質シリカなどのメソ多孔質粒子である。

セラミック／半導体粉末のホットプレスは改良されたバルク熱電材料を低コストで製造することを可能にする。ある例では、セラミック及び半導体粉末が混合され、ホットプレス法を用いて混合物からバルク物質が形成される。ある例では、半導体ナノ粒子とセラミック粉末の混合物を10MPa及び150℃で予備プレスして直径が約１インチの円板にする。次に、この円板（又はその他の形）を200-600℃及び100-200MPaでHIPプロセスによって処理する。このプロセスを用いて、改良された熱電材料を形成することができる。

セラミック粒子はナノ粒子であってよく、シリカ、アルミナ、又はその他の酸化物を含む。セラミック粒子は、ボールミル粉砕プロセス又はその他のプロセスによって調製できる。市販されている粒子を用いることもできる。他の電気絶縁性物質の粒子を用いることもできる。

半導体粒子（又はその他の導電性粒子）は、テルル化ビスマスなどのバルクで熱電性質を有する物質のナノ粒子である。半導体ナノ粒子は、溶液化学法、気相反応法、高エネルギーボールミル粉砕、その他の方法を用いて調製できる。

半導体及びセラミック粒子を混合した後、プレスしてモノリスにすることができる。良い粒子混合を実現するために、これらの粒子混合物のボールミル粉砕を用いることができる。ホットプレス法を用いて、混合されたセラミック／半導体粒子をプレスしてバルクにすることができる。粒子は、融合してナノ粒子構造を保持しながら機械的強度を高めることができる。

図１１は、粒子１８０とナノ粒子１８２によって形成される複合材料を示す。図に示されているように、両方の粒子が図１０に関連して上述したようなナノ構造半導体を含む。

別の例では、大きなセラミック粒子と半導体ナノ粒子を合体させて、半導体ナノ粒子がセラミック粒子のまわりにナノ構造の導電性ネットワークを形成するようにする。

別の例では、セラミックのナノ粒子と半導体粒子の混合物が合体されプレスされる。物質は、半導体粒子を砕きそうな圧力にセラミック粒子が耐えられるように選ばれる（例えば、シリカとテルル化ビスマス）。適当な圧力を加えると、半導体粒子がセラミック粒子の直径と相関する（例えば、同様の）直径に砕かれる。シリカナノ粒子は、安価な販売源から２-20nmなどの直径で入手でき、半導体ナノ粒子を含む安価な複合材料を、直径２-20nmのセラミック粒子と半導体粒子を合体させるステップ、及び混合物に圧力を加え手半導体粒子のサイズを２-20nmまで小さくするステップを含む方法によって調製することが可能になる。

ホットプレス
熱電複合材料を形成するプロセスの一例は次のようなものである。第一のステップで、半導体とセラミックのナノ粒子が高エネルギーボールミル粉砕又はその他の機械的又は化学的方法によって形成される。第二のステップで、ナノ粒子が適当な比で混合され、機械プレスで予備プレスされ、不活性気体中で高温等方プレス（HIP）によって2000℃までの温度で60,000psiを超える圧力に圧縮される。この方法の一つの利点は、比較的複雑な形をHIPプロセス又は他の固化プロセスで作製することができ、サンプルに非等方性が生じないことである。さらに、金属電極などの追加される層をHIPプロセスで熱電材料の表面に直接融合できる。温度、圧力、及び加圧気体の組成をすべてHIPステップでコントロールできるこのプロセスで得られる生成物の密度は理論値に近い。

別の例では、HIPプロセスの代わりに、熱、圧力、又は熱と圧力の組み合わせが用いられる。混合された粒子をプレスしてバルクにする前に、ガスを除去するための真空ステップを設けると、形成される複合材料の密度で有益な増加が達成される。

物質が固化する前に付加的成分を組み込んで熱伝導度をさらに低下させ、熱電複合材料のナノ結晶度と量子閉じこめ効果は維持されるようにすることができる。グレイン安定性と熱膨張係数によって、SiO₂、イットリア安定化ジルコニア、及びLa₂O₃-ドープYSZなどの物質を用いることができる。しかし、本発明はこれらの例に限定されない。熱電複合材料の全体の熱伝導度は、複合材料内部にナノスケールのネットワークが形成されるために、混合の規則によって支配されるどの単一成分（半導体又はセラミック）よりも低くなると予期される。

熱電ナノ複合材料が、テンプレートを用いる電着及びHIP作製という両方のプロセスによって作られた。厚さ２mm、直径１インチのナノ複合材料の円板が、Bi₂Te₃のナノ粒子（直径約100nm）とSiO₂のナノ粒子（直径約10-20nm）を用いてHIPプロセスによって調製された。

図１２Ａは、ディスクサンプルからSiO₂を除去した後のBi₂Te₃ナノワイヤネットワークのTEM画像を、挿入写真として示している。HIPプロセスの後、Bi₂Te₃ナノ粒子は連続したナノワイヤネットワークを形成する。

図１２Ｂは、図１２Ａに示されたナノワイヤネットワークの高分解能TEM画像であり、小さな結晶ドメインを含むきわめて結晶度の高いナノワイヤ構造を示している。この結果は、HIPに基づくネット形態製造法によるナノワイヤ／セラミックナノ複合材料の製造の可能性を強く実証するものである。

本発明に係わる熱電複合材料は、二つの双連続物質を含むことができる（連続な半導体ネットワーク、及び連続なセラミックマトリクス）。しかし、セラミック成分は連続である必要はなく、例えば、半導体又は他の導電物質内の孤立したセラミック粒子として存在してもよい。

70％(体積)Bi₂Te₃ナノ粒子と（30％）シリカナノ粒子を含む複合材料サンプルについて熱電輸送測定が行われた。サンプルは4500MPsi及び500℃のHIPによって調製された。比電気抵抗は40mΩ/m、熱伝導度はk=0.2W/mK、ゼーベック係数はS=-250mV/K（室温）であった。ナノ複合材料は、熱伝導度が劇的に減少し、ゼーベック係数も同様であるが、比電気抵抗は高くなっている。ナノ複合材料の計算されたZTは室温でほぼ2.4であり、これは現在のバルク熱電材料として記録的に高い値である。

高いZTの値は、ユニークな双連続ナノワイヤネットワーク構造に基因すると考えられる。半導体と無機シリカ粒子のナノ複合材料、又は半導体とポリマーのナノ複合材料も、境界におけるフォノン散乱の増加によって熱伝導度が大きく減少している。しかし、ナノスケールの半導体とセラミック物質を用いるバルク熱電材料の作製については、これまで何も報告されていない。

HIPプロセスは、温度（室温から2000℃まで）、圧力（60,000psiまで）及び雰囲気（空気、He、その他の気体）などの処理条件を調整することによって最適化できる。

HIPプロセスの代わりにホットプレス法を用いてバルク熱電材料を低コストで製造することができる。ホットプレス法を用いて同様の熱電ナノ複合材料を製造デキル。ホットプレスの温度と圧力を最適化して、導電度、機械的強度、などの所望の性質、又は性質の組み合わせ、を達成できる。例えば、圧力は、プレスされた物質内部のナノ構造を破壊しないように選ぶことができる。

いくつかの実験では、シリカナノ粒子ともっと大きな半導体ナノ粒子が混合されてプレスされる。プレスの過程で、半導体の粒径が小さくなってシリカナノ粒子の直径とほぼ同じになる。したがって、半導体粒子と半導体における量子サイズ効果に関連したスケールの直径を有するシリカナノ粒子を混合して熱電複合材料を作ることができる。この混合物をプレスすると熱電ナノ複合材料が得られる。

その他の方法及び材料を用いて粒子混合物を結合させることができる、例えば、レーザーやその他の放射線源による照射（Ｘ線、ＵＶ、光、又はＩＲ放射など、又は超音波）、結合剤（導電性接着剤など）の添加、などである。

ホットプレスされる粉末としては、半導体ナノワイヤ、ナノ粒子、ナノ構造の粒子、又はナノ構造半導体物質の組み合わせ、などがある。ナノ粒子は、球形、又は卵形であってもよいが、顆粒であってもよい。粒子サイズ分布があっても良く、例えばナノスケール領域に中心がある分布でもよい。粒子は、二種以上の半導体を含んでいても、二種以上の電気絶縁体を含んでいてもよい。ナノ複合材料は、異なる条件でアニールしてその機械的性質を強化したり、良好な結晶構造を実現したりすることができる。

ナノ粒子は、湿式化学のアプローチで、例えば有機金属前駆物質の直接反応、沈澱法、共沈澱された水酸化物の水素還元、溶解−熱的プロセス及び／又は音波−熱的プロセス、及びゾル−ゲル化学的アプローチなどで作製できる。粒径、粒径分布、及び結晶構造は、望むならば、TEM、SEM、XRD及びその他の方法で調べることができる。

物質系
第一の成分は、半導体又は金属などの導電性物質が可能である。第一の成分は無機物質であっても、導電性ポリマーや有機半導体などの有機物質であってもよい。

300K＞Ｔ＞500Kという温度範囲で、ｎ型物質はBi₂Te₃又はBi₂Se₃であり、ｐ型物質はBi₂Te₃又はSb₂Te₃であってよい。500K＞Ｔ＞700Kという温度範囲で、ｎ型物質はPbTe又はSnTeにBiをドープしたものであり、ｐ型物質はPbTe又はSnTeであってよい。

高ZTのBi₂Te₃/PbTe超格子が薄膜の形で調製された。Bi₂Te₃/PbTeの三次元ネットワークは、フォノン散乱を増加させ、電子伝導度とSeebeck係数は同様であるから、同じように改善された性能を示すであろう。用いられる半導体はBi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTe、SnTe、ZnSb、SiGe、CoSb合金、及びCeFeCoSb合金、などである。

半導体ナノ構造ネットワークの代わりに、又はそれに加えて、金属ナノ構造ネットワーク、例えば、Ag, Au, Co, Cu, Fe, Ni, Pd, 又はPtを用いることもできる。その他の金属（遷移金属など）又は合金を用いることもできる。例えば、金属ナノ構造はナノ複合材料のｎ型領域で用いることができる。

第二の成分、すなわちマトリクス物質、はシリカなどの非導電性物質が可能である、別の例では、第二の成分は、ZnOなどの導電性セラミック、又は熱電セラミックを、例えば導電度を改善するために用いることもできる。マトリクス物質は、空気（第一の成分中の泡又はその他のボイド）など（第一の成分に比べて）熱伝導度が低い物質、又は多孔質Bi₂Te₃などの多孔質物質、が可能である。例えば、以下のナノ複合材料はBi₂Te₃を第一の成分として用いて形成できる：Bi₂Te₃/SiO₂, Bi₂Te₃/PbTe, Bi₂Te₃/ZnO, Bi₂Te₃/カーボンナノチューブ、及びBi₂Te₃/空気である。

マトリクス物質としては、Al₂O₃, LaCoO₄, NaCoO₄, SiO₂, SnO₂, ZnO, (ZnO)_x(In₂O₅)_y, ZrO, Y-安定化ZrO, ZrO₂, イットリア安定化ZrO₂(YSZ), La₂O₃安定化YSZ, 及びその他の酸化物、カーボンナノチューブ、電気絶縁性ポリマー、C₆₀などのフラーレン、及び気体（空気、窒素、不活性気体、など）がある。

付加的成分
本発明に係わる熱電複合材料はさらに、他の物質及び／又は構造、例えば空気（ボイド内に）、半導体又は電気絶縁体のナノ層がデポジットされる電気絶縁性コア、及び機械的強度を高めるための結合剤又はファイバー、を含むことができる。

セラミック又はその他の電気絶縁性粒子は中空であっても良い。別の例では、粒子はセラミックコアと外側のシェル層を含み、シェル層は粒子間の結合を促進する。例えばシェル層は融点又は焼結温度が低い。別の例では、粒子はセラミック又はその他の絶縁性コア上に半導体又は導体のナノ層を有する。

他のプレス及び／又は焼結方法を用いることもできる。半導体とセラミック粒子の混合物に結合剤を加えることもできる。

その他の用途
本発明に係わる熱電材料及びデバイスのその他の応用は当業者には明らかであろう。応用は、自動車などの車両、飛行機、及び宇宙船における電力発生を含む。熱的な勾配を、エンジンの運転、燃料の燃焼、太陽エネルギー、又はその他のエネルギー源によって生成できる。

本発明に係わる物質及びデバイスは、また、ペルチェ効果の熱電応用で、例えば冷却などの用途（例えば、電子コンポーネントとデバイスの冷却、食物と飲料の冷蔵、空調や除湿などの雰囲気調節、暑い気候で個人が携帯するパーソナル冷却装置、呼吸気体の調節、など）、及び加熱用途（例えば、車両での空気ヒーター、又は飛行機の凍結防止装置）で用いることができる。デバイスは、車両内のペルチェ効果とゼーベック効果の両方の応用で、例えば熱的勾配から電気エネルギーを生み出すため、及び空調のために利用できる。単一装置としては、熱的な勾配からの電気を供給し、乗客コンパートメントへの気流の冷却又は加熱を行うように設計されたゼーベック効果装置がある。

本発明の方法を用いて調製されるナノ構造半導体ネットワークはまた、他の用途、例えば、発光ダイオード、レーザー、光及びIR検出器、電界効果検出器などのトランジスター、静電界検出器、共鳴トンネルダイオード、フォトニックバンドギャップ構造、光導波管、光結合器、化学センサーなど、でも利用できる。ナノ構造ネットワークはフォトニック材料を形成するために用いることができる。

別のアプローチでは、ナノ構造複合材料が形成された後でマトリクス物質を、例えばフッ化水素酸を用いて除去し、半導体又は他の電気導体から成るナノ構造ネットワークを残すようにすることができる。このようなナノ構造も、上述したような用途に用いることができる。カーボンナノチューブなどは、また、マトリクス物質の内部で利用することもできる。

こうして、例えばセラミックマトリクス（メソ多孔質シリカマトリクスなど）とマトリクスを通って伸びるナノ構造半導体又はナノ構造金属のネットワークから成る改良された熱電なの複合材料が記載される。ナノ構造半導体は、ナノワイヤとナノ粒子を含む。半導体ナノワイヤの直径は100ナノメーターよりも小さく、例えば10ナノメーターよりも小さく、顕著な量子閉じこめ効果が得られ、それがナノ複合材料の熱電性能指数ZTの高い値につながる。巨視的に導電性のナノ構造半導体ネットワークは、電荷輸送のための連結した経路を提供する。ナノ構造半導体成分とセラミック成分は、複合材料の低い熱伝導度と界面におけるフォノン散乱のためにバルク複合材料の熱伝導度を劇的に減少させる。

改良された作製方法によって、高い温度勾配をより効率的に維持できる厚いデバイスを形成することが可能になる。セラミック成分は、また、デバイスのコストを減らし、高温での半導体ネットワークの焼結及び／又はドメイン成長を防止してデバイスに長期的な安定性を付与する。

ナノ複合材料デバイスを調製するための低コストなアプローチとして、テンプレートを用いる電着がある。この方法では、予め形成されたメソ多孔質セラミックテンプレート内に半導体などの導電物質がエレクトロデポジットされ、セラミック。マトリクスを通るナノワイヤネットワークを含むナノ複合材料が形成される。別の方法では、半導体ナノ粒子とセラミック粒子の混合物を高い温度と圧力で固化させて、半導体ナノ粒子の連続ネットワークを有するナノ複合材料を形成する。

本発明は、上述した例示的な実施例に限定されない。実施例は発明の範囲を限定するものではない。ここで記載された方法、装置、組成、などは例示的なものであって、発明の範囲を制限するものではない。その変更及びその他の利用は、当業者に思い浮かぶであろう。本発明の範囲は添付された特許請求の範囲で規定される。

本明細書で言及された特許、特許出願、又は刊行物は、個々の文書が特定して個別に記載されたと同様に、参照によって本明細書に組み込まれる。特に、米国特許仮出願No. 60/633,918はその全体が本明細書に組み込まれる。

パワー発生モードで運転される熱電ユニカップルを示す概略図であり、Ｔ_HとＴ_Cは、それぞれ、高温壁温度と低温壁温度である。高効率熱電デバイスで用いられるナノ構造物質アーキテクチャーを示す概略図である。図２のデバイスで用いることができるナノ構造物質アーキテクチャーの細部を示す概略図である。ライオトロピックシステムに典型的な界面活性剤／水／オイル相図を示す概略図である。ケイ酸塩／界面活性剤の共組織化によるメソ多孔質シリカ形成を示す概略図である。メソ多孔質酸化物テンプレートを用いる密閉電着によって調製された半導体／セラミックナノ複合材料を示す図である。三電極回路とメソ多孔質シリカテンプレートを用いるナノワイヤの電着を示す概略図である。エレクトロデポジットされたBi₂Te₃ナノワイヤのTEM画像を示す。エレクトロデポジットされたBi₂Te₃ナノワイヤのHR TEM画像を示す。 Bi₂Te₃メソ多孔質シリカ複合材料のTEM画像を示す。 HFによってシリカテンプレートを除去した後のBi₂Te₃ナノワイヤのTEM画像を示す。 Bi₂Te₃ナノワイヤのHREM画像を示す。 Bi₂Te₃ナノワイヤのHREM画像を示す。メソ多孔質シリカ薄膜の代表的なTEM断面画像を示す。メソ多孔質シリカ薄膜の代表的なTEM断面画像を示す。半導体ナノワイヤを充填したセラミック粒子と半導体ナノ粒子の混合物を示す図であり、本発明のある実施例による複合材料を形成するために用いることができる。粒子混合物から形成される熱電複合材料を示す図である。差込み写真として示されたディスクサンプルからSiO₂を除去した後のBi₂Te₃ナノワイヤネットワークのTEM画像を示す。図１２Ａに示されたナノワイヤネットワークの高分解能TEM画像を示す。

Claims

第一の電気接点、
第二の電気接点、及び
前記第一の電気接点と第二の電気接点の間の電気的経路内部に配置された熱電バルク材料
を備えた熱電デバイスであって、前記熱電バルク材料が
導電性でありかつナノ構造である第一の成分、
第二の成分、この第二の成分の導電度は前記第一の成分より実質的に小さい、
を含み、前記熱電バルク材料は前記第一の成分の連続な半導体ネットワークを含み、この第一の成分はこの連続な半導体ネットワーク中に分散した連続なセラミックマトリクスを形成する第二の成分のナノ粒子を有する熱電デバイス。
第一の成分が金属である、請求項１に記載の熱電デバイス。
第二の成分が電気絶縁体である、請求項１に記載の熱電デバイス。
第二の成分が電気絶縁性の無機酸化物である、請求項１に記載の熱電デバイス。
熱電材料を含むデバイスの少なくとも一部に熱的勾配が拡がったときに第一の電気接点と第二の電気接点の間に電位を生ずる、請求項１に記載の熱電デバイス。