日本开发出由锰硅类材料制成的多层型热电元件

　　日本东北大学研究生院研究科应用物理学专业梶谷刚教授的研究小组公开了一款多层型热电元件的试制品。该试制品由锰硅类材料制成的热电材料片材层叠而成(图1)。已在东北大学产学协作推进本部于2012年3月15日在东京都千代田区举行的“东北大学革新展”上展出。

　　

 

　　图1：层叠型压电元件的制造工序

　　梶谷教授的研究小组正在与日本东北陶瓷(宫城县亘理町)等三家公司共同开发由锰硅类热电材料片材层叠而成的多层型元件。此次的展示品的P型半导体采用的是MnSi(锰硅类)材料，N型半导体采用的是Mn1-xFexSiy(锰铁硅类)材料。

　　具体的制造工序如下：分别调整N型和P型热电材料的成分，并将其煅烧作为原材料，将原材料粉碎后利用通常的刮板法(Doctor Blade Method)进行片状成型处理。然后在片材上用丝网印刷法涂覆绝缘膏，并反复将N型半导体和P型半导体以及绝缘膏交替层叠。绝缘膏不涂布在片材上的高温侧和低温侧的端部，而是通过丝网印刷让N型与P型形成结合在一起的状态。这样，N型半导体和P型半导体就形成了串联排列的压电元件。

　　对片材的层叠品进行压制后，在生坯状态下，按照所需尺寸的元件形状，沿垂直于层叠面的方向将其切断。然后进行烧结，在形成高温侧和低温侧的端部形成电极，并用玻璃密封材料在外侧进行绝缘处理，最终便可形成热电元件。

　　此次的试制品中，N型半导体和P型半导体的片材厚度都为150μm，一对N型和P型片材的厚度约为300μm。绝缘层的厚度为15μm。此次通过层叠30对N型和P型半导体，试制出了10mm见方、厚5mm等多个规格的层叠元件，并进行了性能评测。据介绍，此次的锰铁硅类材料制造的热电元件“可在室温到850K的温度范围内使用”。锰硅锶类的热电材料制成的热电元件“可在室温到750K的温度范围内使用”。

　　此前的热电元件一直采用由大量P型与N型半导体的长方体交替排列的形式。东北陶瓷解释称，这种配置的“封装密度低，容易导致高成本”。另外，原来普遍采用Bi-Te(铋碲)类材料，而锰硅类材料资源丰富，因此此次的技术还极有望降低材料成本。