東京科学研究所の研究者たちは、新しい熱電材料を開発しました。この材料は原子レベルの薄膜の特性を持ちながら、より実用的な固体結晶の形で存在します。もしこの材料が実験室の外で拡張できれば、次世代の廃熱エネルギー回収材料の設計に使用できる可能性があります。この特性は「熱電性」と呼ばれ、両側の温度差から電力を生成できることを意味します。これにより、工場の排気、車両のエンジン、発電所、炉などの用途に非常に適しています。効果を発揮するためには、このような材料は一見矛盾する二つの特性を満たす必要があります。第一に、電荷は材料を容易に移動できなければなりません。第二に、温度差がすぐに消失しないように、熱伝導率が低く（つまり良好な絶縁体である必要があります）なければなりません。
現在の問題は、ほとんどの導電材料が良好な熱伝導性も持っていることです。これにより、熱端と冷端がすぐに均衡し、電力生成が著しく弱まります。この問題を解決するために、研究チームはTlFe₁.₆Se₂という鉈、鉄、セレンの混合物を使用しました。この材料の内部構造は層状のサンドイッチに似ており、非常に薄い硒化鉄（FeSe）層が、より大きな三次元結晶の中に繰り返し埋め込まれています。これは非常に重要で、原子レベルの薄いFeSe薄膜は熱電生成において異常に良好な電気特性を持っています。
しかし、数原子の厚さの薄膜は製造、処理、実際の機械に統合するのが難しいです。研究者たちはこの方法で、固体材料の中にいくつかの超薄膜の挙動を効果的に再現しました。
新型熱電材料の潜在的な応用の展望
注目すべきは、これらの新しい結晶設計が特定の鉄原子の欠損を確保していることで、この特性は鉄空位と呼ばれます。研究者たちは、これが結晶を通る熱伝導を制限することを説明しています。なぜなら、熱は音子（phonons）と呼ばれる原子の振動によって伝達されるからです。参考までに、結晶が完全に規則的であれば、これらの振動は容易に伝播します。しかし、欠陥が存在すると、これらの音子は散乱され、原子結合が変形し、全体の格子が変化し、熱が容易に伝達されなくなります。最終的な結果は、この材料の熱伝導率が非常に低く、約0.2ワット/メートル・ケルビンで、約356°F（180°C）で測定されました。
実際の応用において、この材料はほぼ熱絶縁体のように機能しながら、電気応答を生成することができ、これは非常に素晴らしい成果です。
実際の使用に関して、この研究は技術の実現可能性を実験室内で証明しただけです。実際の電力生成に応用するためには、研究者たちは全体の変換効率などの障害を克服する必要があります。さらに、長期的な安定性、コスト、スケーラビリティ、強度、工業環境などの実際の場所での性能も解決する必要があります。鉈の存在は、高い毒性を持つため、安全性と封じ込めの問題も引き起こします。「この作業は、低次元材料の機能を大きな結晶に埋め込むという新しい設計概念の有効性を示しています」と東京科学研究所の材料と構造実験室の主任教授である片瀬貴義は述べています。
「これらの結果は、次世代の熱電材料の開発に希望のある道を提供し、従来の電気的および熱的伝達特性の間のトレードオフを克服します。」この研究は『材料化学 A 期刊』に発表されました。