離婁（りろう）篇 ／ 孟子
※ 本当の教え方：逢蒙（ほうもう）羿（げい）に弓術を学んだ。奥儀
No.131
【ソーラータイル事業：最新量子熱電変換子技術】
❏ トヨタ自工北アメリカ株式会社の特許事例
● US 9865790 B2 Nanostructure Bulk Thermoelectric Material :ナノ構造バルク熱電材料
詳細説明】
半導体または他の導電体であってもよく、量子閉じ込め効果が第１の構成要素の特性を変更するように
から選択される、請求項１（前出）に記載の方法。 第１成分は、任意の半導体セレン化物またはテルル
化物であり得る。その他の資料については、他の場所で説明する。
例えば、第１成分は、テルル化ビスマスとアンチモンの合金、または無次元の性能指数 ZT ～１をバル
クの他の材料でもよい。第２の構成要素は、好ましくは、低い熱伝導率の値を有し、例えば、電気絶縁
体または電気導体不良であってもよく、第２成分は、熱電材料である必要はなく、第２の材料のバルク
試料が、バルク試料中に有用な（または感知可能な）熱電効果を示す必要がない。この成分は、以下の
実施例では、マトリックス材料またはマトリックスとも呼ばれるつの成分の組み合わせ、または複合体
は、低い熱伝導率、高い導電率および高いゼーベックの組み合わせのために、第１の成分のバルク試料
の性能指数と比較して、改善された熱電性能指数を提示できる。またはナノメートル（またはナノスケ
ール）範囲、例えば約 0.5～1000nm、2 ～20nmの範囲内の特徴サイズ（ナノワイヤ／ナノ粒子直径）の
他の構造を含んでもよい。すべての範囲には一定の制限があり、この明細書で使用される用語「メソス
ケール」「メソポア」「メソポーラス」などは、5nm～100nmの範囲のフィーチャサイズを有する構造を
指す。ここで使用されているメソスケールという用語には、特定の空間構成や製造方法は含まれずメソ
ポーラス材料は、5nm～100nmの範囲の直径の規則的またはランダムに分布する細孔を含み、ナノ多孔質
材料は、0.5～1000nmの範囲の直径の細孔を含む。
例えば、半導体粒子と半導体ナノ粒子との混合物をホットプレスするなどして、半導体およびセラミッ
ク粒子から形成された複合体が挙げられる。本件の例には、熱伝導率の値が低い、マトリックス材料中
の半導体ナノ構造のネットワークが含まれる。マトリックス材料は、セラミックなどの電気絶縁材料、
または他の電気絶縁材料とすることができる。本件による熱電材料は、従来の薄膜よりも物理的寸法が
最小である厚膜またはバルク材料であってよく、例えば 0.1mmより大きく 例えば１mm以上である。第
１成分の導電率は、第２成分の導電率よりも 100倍以上大きくすることができ、より大きなオーダーの
大きさであってよい。導電性ナノ構造ネットワークは、連続的な３次元連続ネットワークである。
本件によるナノ構造熱電材料は、半導体（または金属などの他の導電体）ナノワイヤまたはナノメッシ
ュのネットワーク構造に起因して高い電気伝導度（σ）を有し、ゼーベック係数（S）これは、量子閉じ
込めによるナノワイヤまたはナノメッシュ構造のフェルミ準位近傍の状態密度の増大のためである。ナ
ノ構造の熱電材料は、マトリクス材料の低い熱伝導率のために、またナノ構造に起因するフォノンの境
界散乱の増大により、非常に低い熱伝導率κもありえる。これは、無次元の性能指数ZTを提示する。前
述したように、熱電材料の性能指数Zは、ゼーベック係数（S）、電気伝導度（σ）、熱伝導率（σ）お
よび熱伝導率（κ）から、Z ＝ S2σ/κ を有する。したがって、良好な熱電材料は、Sおよびσの大き
な値および/またはκの低い値を有することができる。高熱電性能指数（）は、低次元半導体構造によっ
て提供することができる。
量子サイズ効果は、電子および熱特性を調整し、熱電効率を増加させる。しかしながら、従来の半導体
デバイスの処理技術を用いて量子細線、量子ドット、超格子構造を製造するには、複雑かつ高価な製造
技術および装置が必要である。さらに、これらのアプローチは、従来、熱電材料の薄膜のみに提示する。
量子サイズ効果には２種類の影響がある―― （1）閉じ込められた次元は、電子のバンド構造とフォノ
ン分散関係を変更し、状態の離散電子密度と減少したフォノン群速度（閉じ込め効果）をもたらす。(2)
低次元構造に存在する高表面積および（時には）界面領域は、電子およびフォノンの両方についてより
多くの境界散乱（表面効果）を導入する――これらの効果の一方または両方は、この発明による材料に
おいて重要であり得る。ナノ構造および他の低次元構造によって得られる利点は（1）ゼーベック係数を
増加させるフェルミエネルギー準位に近い状態の変化した密度ドーパント不純物をキャリアチャネルか
ら物理的に分離する。こ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、加えて、セラミックマトリックスなどのマトリックス材料によって低い熱伝導率を提示できる。
本件による方法は、厚膜またはバルク熱電材料の調製に使用できる。このようなバルク材料は、従来の
方法で調製された薄膜よりも厚く、従来は10～100ミクロンの範囲である。本件は、熱電材料および熱
電装置の大規模で低コスト製造を実現する。以下の実施例では、「セラミック」という用語は、アルミ
ニウムと酸素などの金属元素と非金属元素との間に形成される化合物を含む無機非金属材料、典型的に
は電気絶縁体（例えば、アルミナAl 2 O 3）、カルシウムおよび酸素（例えば酸化カルシウム、CaO）。
セラミックスは、シリコンと窒素との間に形成される化合物（例えば、窒化ケイ素、Si 3 N 4）、ケイ素
と酸素（シリカ、SiO 2）、ケイ素と炭素（例えば炭化ケイ素） 好き。本明細書で使用される場合、セ
ラミックという用語は、ガラスを指すこともできる。セラミックという用語は、焼成プロセスによって
形成される材料に限定されない。