「廃熱を電力に変換する技術で大きな前進 ―チタン添加でクロム窒化物熱電薄膜の性能を250倍に向上―」
東北大学学際科学フロンティア研究所・材料科学高等研究所の双逸助教らの研究グループは、クロム窒化物（CrN）薄膜に少量のチタン（Ti）を添加することで、室温成膜のまま、熱電性能を示すパワーファクターを純CrNの約250倍に向上させたと発表した。Tiが結晶中の窒素空孔を抑え、通常はトレードオフの関係にある電気伝導率とゼーベック係数を同時に高めた。この薄膜を用いた発電デバイスを試作し、既存の高性能熱電薄膜に匹敵する出力を確認した。
出典：東北大学 2026年10月13日 プレスリリース（掲載誌：Journal of Materials Chemistry A／オンライン掲載 2026年10月12日付／DOI: 10.1039/D6TA04854D）
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2026/10/press20261013-03-Ti.html
私たちの身の回りでは、さまざまな機器から発生する熱の多くが、利用されないまま廃熱として環境中へ放出されています。この廃熱を電力に変える材料が熱電材料です。温度差を電気エネルギーに直接変換でき、外部電源を使わずに発電できます。
熱電材料のうち、薄膜の熱電材料はデバイスの集積化や小型化に向いているため、関心が高まっています。中でもクロム窒化物（CrN）は、熱電特性に優れ、高温環境下でも安定に動作する材料として知られています。一方で、高い性能を得るには高温での成膜やエピタキシャル成長（単結晶基板の上で結晶の向きを揃えて成長させる方法）が必要で、使える基板が限られるため、さまざまなデバイスへの集積が難しいという課題がありました。
研究グループは、CrN薄膜に少量のチタン（Ti）を添加しました。プレスリリースによると、Tiが結晶中の窒素空孔（結晶中で本来窒素原子が占めるべき位置が空いている欠陥）を抑制します。窒素空孔はCrNで電子を放出する供給源として働くため、これを抑えることで、通常はトレードオフの関係にある電気伝導率とゼーベック係数（温度差によって発生する電圧の大きさを示す指標）を同時に高めることに成功しました。
その結果、室温で成膜したままの状態でも、熱電性能を評価する指標のパワーファクターが純CrNの約250倍に向上しました。
研究グループは、このTi添加CrN薄膜を用いた発電デバイスを試作し、出力特性を実測しました。得られた出力密度は、ビスマス・テルル系、銀セレン化物系、有機複合材料などの既存の高性能熱電薄膜に匹敵する水準だったと報告されています。
高温プロセスを必要としないため、使える基板の自由度が広がり、窒化物熱電デバイスの実用化を加速する成果として期待されると、研究グループは説明しています。
今回の成果は、薄膜の組成を少量のTiで調整するだけで、室温成膜のまま熱電性能を大きく引き上げられることを示した材料研究です。高温の成膜が不要になれば、熱に弱い基板や既存の製造工程との組み合わせも検討しやすくなります。一方、発表では、長期の安定性、量産時のコスト、具体的な用途や実用化の時期については触れられていません。今後は、熱電変換デバイスとしての出力や耐久性が、他の材料と比べてどこまで伸びるかが焦点になりそうです。
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