Two-dimensional sodium fluctuation at high temperatures in high-temperature thermoelectric material -NaCoO

高温熱電物質-NaCoOの高温での2次元ナトリウム揺らぎ

社本 真一  ; 長谷川 裕毅*; 梶谷 剛*

Shamoto, Shinichi; Hasegawa, Yuki*; Kajitani, Tsuyoshi*

高温でZT1となる高い性能指数を持つ熱電物質-NaCoOについて、粉末パルス中性子回折データの結晶PDF解析を用いて調べた。高温でのナトリウムと酸素原子間の相関においてPDFピークの幅が顕著に広がった。このことからナトリウム原子がNaOプリズムから頻繁に出ていることを示している。言い換えれば、ナトリウム原子は高温で2次元層内で動き回っている。ナトリウム原子がプリズムから抜け出すNa-O相関の臨界距離以下でのPDF強度は、熱伝導度と反比例している。このことは、頻繁に起こるナトリウムの飛び移りに伴い、フォノンの寿命が短くなり、それにより熱電発電の性能が高くなっていることを示している。

A thermoelectric material, -NaCoO, with a high figure of merit, ZT1, at high temperatures has been studied using the atomic pair distribution function (PDF) analysis of pulsed neutron powder diffraction data. We have found significant PDF peak broadening in the correlation between sodium and oxygen atoms at high temperatures. The broad peak indicates that a sodium atom frequently leaves a NaO prism. In other words, sodium atoms hop in a two-dimensional layer at high temperatures. The PDF intensity of the Na-O correlation below a critical length, where a sodium atom is leaving a prism, is inversely proportional to thermal conductivity. This suggests that the short phonon lifetime originates from the frequent sodium hopping in the two-dimensional layer, leading to high-performance thermoelectric generation.