Home热电変换性能の向上を目指して?高性能化への指针を解明?
大学院総合科学研究科 宇田川 眞行（うだがわ まさゆき）教授
に聞きました。（2008.6.20 学長室広報グループ）
研究の概要
物质が持つ様々な性质を解明する「固体物理学」が専门。特に、物质にレーザー光を照射したときに散乱する物质固有の光（ラマン光）を観测する『レーザーラマン散乱』により、物质の运动を原子のレベルで明らかにする研究が中心。
热から电気を作る—エコでクリーンな热电変换へ—
金属や半导体に温度差を与えると、温度差に比例した电圧が生じます。これは、「ゼーベック効果」とよばれる固体の热电効果のひとつで、性质の异なる２种类の金属?半导体の両端の温度差を大きくすると电池のように振る舞い、発电します。物质の热电効果を利用して热エネルギーを电気エネルギーに変换することを热电変换、热电変换に用いる材料を热电材料といいます。
热电による発电は、ほぼ试料の寿命まで使用でき、可动部がない（例えば、火力発电におけるタービンがそれにあたる）ため故障が少なくメンテナンスも不要で、热から电気に直接変换できるのでクリーンな発电が可能となるとか。このような特性を利用して、我が国でも自动车の排気ガスの廃热からの発电を目指した研究开発が进んでいて、一番近い将来利用可能となると期待されています。逆に、この金属?半导体に电流を流すと、「ペルチェ効果」と呼ばれる冷却する性质が现れ、これは冷媒のない冷冻库などに利用することができます。
热电発电（ゼーベック効果）の実験キット（（株）イングスシナノ社製）
白い部分が热电変换素子で、中央部にお汤を入れて温度差をつけると発电し、羽根が回ります。
热电変换の键は、原子の“动き”
热电変换性能（ＺＴ）を向上させるためには、电気が金属のように流れ、かつ、ガラスのように热を伝えにくいという、相容れない特性が要求されます。热电材料では、热を伝えにくく、电流が流れやすいことが必要とされています。物质中で热を伝えているのは电子の移动と原子の振动ですが、半导体にすると电子による热の移动を小さくすることができます。结果として、原子の振动で运ばれる热を小さくする必要があると宇田川教授はいいます。
図１：热电変换性能を与える式
図２：ラットリング运动
これまで「热电変换材料の热电変换性能向上のための指针」として、
1.ナノ构造にして热伝导率を下げる
2.カゴ状构造をなす化合物中の原子（イオン）の运动を活発にして、热伝导率を下げる
方法が提案されています。原子の活発な运动は「ラットリング运动」と呼ばれ、活発な运动ほど热伝导率を大きく低下させることが知られていましたが、原子がラットリング运动をする原因は解明されていませんでした。
近年、次世代の热电材料として原子や小さな分子を入れることができるようなカゴ状构造を有する物质がその特性を満たす物质として注目され、盛んに开発研究が行われています。赤ちゃんのおもちゃの“ガラガラ”のような原子でできたナノ?スケール(10-9ｍの大きさ)のカゴ状构造を持つ物质が発见されており、これらは热が伝わりにくいことが知られています。つまり、カゴの中に闭じ込められた原子がカゴの中を自由に动き回って、伝わる热を散乱することがその原因と考えられてきました。
実験成功までの道のり—光を使って、カゴの中の原子を探る—
今回、宇田川教授らは、この原因を、物质にレーザー光を照射したときに散乱する物质固有の光（ラマン光）を観测する『レーザーラマン散乱』を用いた実験で解明しました。
２００６年、宇田川教授らは、カゴの中にある原子が中心にある场合と非中心にある场合の原子の运动が异なることをレーザーラマン散乱によるスペクトル変化により発见（太阳光と异なりレーザー光は単色です。にもかかわらず、光が物质の中の原子の运动状态を変化させて光自身の色が変わります。色の変化の大きさで原子の运动の速さも分かります）しています。「このときの発见は兴奋しましたねー」と热く语る宇田川教授ですが、今回の発见までには、非中心位置での原子の回転运动が热伝导率を下げるとの仮説を立てて、更に２年の歳月を要しました。
研究対象としたカゴ状構造の化合物は、ガリウム（Ga）、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）の原子で構成され、カゴの中に、バリウム（Ba）またはストロンチウム（Sr）のイオンを閉じ込めたA8Ga16Si30-xGex（A=Ba、Sr）です。この化合物中、BaとSrイオンは、GaとGeが作るカゴの中に存在します。しかし、A8Ga16Si30に、原子サイズの大きなＧｅ原子で置き換えてカゴのサイズを大きくすると、Baイオンはカゴの中心に位置するのに、Srイオンは中心から0.04 nmもずれた位置に移動し、しかも、４つの位置の間を、ぐるぐる運動する回転ラットリング運動をします（図２参照）。宇田川教授らは、この原因が、カゴのサイズがＧe原子の置き換えによって一様に膨張するのではなく、方向によって膨張の度合いが大きく異なるためであることと、非中心での回転運動がラットリング運動であることを突きとめました。
研究成果から期待されること
この研究成果は、热电変换物质を探索する上で、大きな指针を示したことになり、地球温暖化防止など、様々な分野における热电発电の技术开発の促进が期待できます。実用化には効率とコストパフォーマンスの向上も大きな键となります。
また、カゴの中の原子の运动状态が、物质がもつ多様な机能の出现にも関与する可能性もあり、従来考えられなかった新たな机能を持つ物质の开発につながる可能性を秘めています。
次のフェーズへ—広岛大学発の高効率热电変换物质の発见を目指して—
広岛大学は、非接触で、絶縁体から金属まで测定可能な「ラマン散乱装置」があるだけでなく、低温?高温、高圧下、磁场中、顕微镜下で测定できる试料条件を有しています。世界的に见てもこれほど広范囲に试料の条件を変えられる研究グループはありません。本学大学院先端物质科学研究科高畠敏郎教授らの研究グループによる试料提供なくして、今回の成果もありませんでした。
今回指针を示したことで、エネルギーの约2/3を占める廃热を利用できる热电変换物质の探索が推进されることになると、宇田川教授は予想します。社会的に大きく贡献したと思いますが、今后も引き続き、得られた指针を基に、製品の均一化も视野に入れた、広岛大学発の高効率热电変换物质の発见に向けて探索を行っていくと决意を语ります。
若き研究者たちへ
本学先进机能物质研究センターとの连携、颁翱贰形成プログラム「すきまの科学」、文部科学省科学研究费补助金特定领域「スクッテルダイト」の多大な支援により、世界有数の研究环境が整いました。
若き研究者たちが、広岛大学から世界へ羽ばたくことを想定し、４年生の研究室配属时から最先端研究テーマを选択させ、しっかりした目的意识を持って実験等にあたるよう指导しています。博士课程に进学する院生には修士课程在籍中に英文の论文になる成果を挙げて欲しいと思っています。博士课程では、国际学会での発表を视野に外书购読にも力を入れています。教授自身、英语による论文作成能力と共に、议论する力やプレゼンテーションする能力の必要性を痛感することも多く、学生には、基础となる部分で劣等感を持って欲しくないとエールを送ります。
高畠教授プロフィール(研究者総覧)
http://seeds.office.hiroshima-u.ac.jp/profile/ja.f8db35c39cac1d1a520e17560c007669.html
ちょっとこーひーぶれいく
『ゼーベック効果とペルチェ効果』
1821年、ドイツの物理学者であり医者でもあるトーマス?ゼーベックは、２种类の半导体を繋いで回路をつくり、片方に热を加えると回路に电気が流れることを発见しました。これは、発见者にちなんで「ゼーベック効果」と呼ばれています。
1834年、フランスの物理学者であるジャン＝シャルル?ペルチェは、２つの异なった金属に电圧をかけて电流を流すと、片方の接点は冷やされ（吸热）、もう一方は温められ（発热）る。电流を逆転させると、その関係が反転すると発见しました。これを「ペルチェ効果」と呼んでいます。
『日常の光散乱（空はなぜ青いか？ 夕焼けはなぜ赤いか？）』
いろいろな波长の光が混ざっている太阳の光が地上に达するまでに、大気中の分子と衝突して光があちこちにまき散らされます。これを散乱といいます。波长の短い光ほど散乱されやすいので、波长の短い青が対流圏で散乱するために空が青く见えるのです。一方、太阳が西に倾くと、太阳光が大気の层を通过する距离が长くなり、波长の短い光が散乱するので波长の长い赤や橙が残って、夕焼けは赤く见えるのです。
あとがき
「原子が中心より大きくずれていたため、今回たまたま発见できました」と宇田川先生は谦逊しますが、大学院生の顷からこつこつと积み上げてきた地道な努力に対して、科学の女神が一瞬微笑んでくれたのでしょう。そして、もう少しがんばれ！！と。宇田川先生が発表された指针が研究の加速を促し、広大オリジナルの梦の物质诞生、そして地球温暖化防止に繋がることに期待したいと强く感じました。ところで、ナノ?スケールのそのカゴは、どれくらいの大きさのものなのかとお闻きしたところ、リンゴと地球を比べた场合、カゴがリンゴでリンゴが地球にあたると思ってくださいとのこと。理解の范囲を遥かに超えていました。（Ｏ）
