テルル化鉛

テルル化鉛：特性と用途

[テルル]]化鉛]は、[鉛]と[テルル]から構成される化合物で、[[化学式はPbTeと表されます。自然界ではテルル鉛鉱として産出されます。結晶構造は塩化ナトリウム(NaCl)型で、鉛原子が陽イオン、テルル原子が陰イオンの格子を形成しています。そのバンドギャップは0.32 eVと小さく、ナローギャップ半導体として分類されます。

物理的特性

テルル化鉛は、高い比誘電率（約1000）を有しており、電子の有効質量は自由電子の質量のおよそ1%と非常に小さいです。正孔移動度は温度に依存し、低温(0 K)では600 cm²/Vs、室温(300 K)では4000 cm²/Vsと報告されています。これらの特性により、電荷キャリアの移動度が高く、効率的な電荷輸送が可能になります。

熱電材料としての応用

[テルル]]化鉛は、特に熱電変換材料として注目されています。熱電変換材料の性能は、性能指数ZTで評価されます。ZTは、ゼーベック係数(S)、[[電気伝導率]、[熱伝導率]、絶対温度(T)を用いて、以下の式で表されます。

ZT = S²σT/κ

高性能な熱電材料を得るためには、力率(S²σ)を最大化し、[熱伝導率]を最小化することが重要です。テルル化鉛は、バンドエンジニアリングによって力率の改善が可能です。

適切なドーピングによって、n型またはp型の半導体として制御できます。ハロゲン元素はp型ドーピング剤として、Bi2Te3、TaTe2、MnTe2などはn型ドーピング剤として一般的に用いられます。p型ドーピングでは、Na2Te、K2Te、Ag2Teなどが使用されます。これらのドーピングによって、電荷キャリア濃度を調整し、ゼーベック係数と電気伝導率を最適化することで、ZT値を向上させることができます。バンドギャップエンジニアリングによって、約650KでZT値0.8～1.0が報告されています。

熱伝導率の低減とZT値の向上

近年、ノースウェスタン大学における研究では、「全規模階層型アーキテクチャ」を用いることで、熱伝導率の大幅な低減に成功し、ZT値の向上を実現しました。この手法は、点欠陥、ナノスケール析出物、メソスケール結晶粒界などを制御することで、フォノンの散乱を促進し、熱伝導率を低下させます。電荷キャリアの輸送には影響を与えず、フォノンの散乱のみを選択的に制御することで、NaドープPbTe-SrTe系において、ZT値約2.2という高い値を達成しています。

その他の用途

テルル化鉛は、スズと合金化させたテルル化鉛スズ(Pb1-xSnxTe)も重要な材料です。これは、赤外線検出器などに使用されています。Yellow Ducklingという初期の赤外線ラインスキャンカメラは、テルル化鉛を使用していました。

まとめ

テルル化鉛は、その優れた熱電特性と赤外線検出特性から、発電、赤外線センシングなど、幅広い分野で利用されています。今後、材料設計や製造技術の進歩によって、さらなる性能向上と新たな応用が期待されます。

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