β-Ag₂Se（セレン化銀）は、その優れた機械的特性と生体適合性から、ウェアラブル型熱電発電素子に非常に有望な材料とされています。しかし、これまでAg/Seの組成比の調整や第二相の導入といった従来の手法では、電力因子の最適化には限界がありました。
本研究では、スパークプラズマ焼結中に金属銀から銀セレン化物へと銀イオンを移動・析出させることで、フレキシブルなAg/β-Ag₂Se複合膜中に大きくかつ結晶的連続性を持つAgリッチナノ析出物を形成する新たな戦略を提示しました。
その結果、303K（約30℃）において4000 μWm⁻¹K⁻²を超える前例のない高い電力因子を達成。これらAgリッチナノ析出物は以下の点で大きな役割を果たします：
- キャリア濃度の増加
- 有効質量（density-of-states effective mass）の向上
- 相界面や音響フォノンによるキャリア散乱の抑制
さらに、最適化された5枚のフィルムを用いた熱電モジュールは、26.0 Kの温度差で10.89 μWcm⁻²K⁻²の規格化出力電力密度を示しました。
本研究は、β-Ag₂Seベースの熱電材料における電気性能向上の鍵としてAgリッチナノ析出物の形成が極めて有効であることを明確に示しています。ウェアラブルデバイスなどへの応用に向けた、熱電材料開発に新たな道を拓く重要な成果です。
●筑波大学高等研究院関連著者
西堀英治教授 筑波大学数理物質系／エネルギー物質科学研究センター(TREMS)／ホウ化水素研究センター(HBRC)／高等研究院
●題名
Coherent Ag-rich nanoprecipitates/β-Ag2Se flexible film with unprecedented thermoelectric performance by liquid-like sintering
●掲載誌 Nature communication 16, 6010 (2025)
●DOI 10.1038/s41467-025-61079-4
Silver Nanostructures Driving High Room-Temperature Performance in Flexible Thermoelectric Films
Silver Nanostructures Driving High Room-Temperature Performance in Flexible Thermoelectric Films
β-Ag₂Se is a promising candidate for wearable thermoelectric generators thanks to its mechanical flexibility and biocompatibility. However, traditional approaches such as tuning the Ag/Se ratio or introducing secondary phases have reached their limits in improving its power factor.
This study introduces a novel liquid-like sintering strategy, in which silver ions migrate and precipitate from metallic silver into the silver selenide matrix during spark plasma sintering. This process leads to the formation of large, coherent silver-rich nanoprecipitates within flexible Ag/β-Ag₂Se composite films. These nanoprecipitates significantly enhance thermoelectric performance, achieving a record-high power factor of over 4000 μW·m⁻¹·K⁻² at 303 K.
The embedded Ag-rich nanoprecipitates contribute in multiple ways: they increase carrier concentration, enhance the effective mass of the density of states, and reduce scattering from interfaces and acoustic phonons. A device composed of five optimized films demonstrates a normalized output power density of 10.89 μW·cm⁻²·K⁻² under a 26 K temperature gradient.
This work highlights the critical role of controlled silver nanoprecipitation in improving the electrical performance of β-Ag₂Se-based flexible thermoelectric materials, paving the way for advanced wearable power generation technologies.
● Affiliated Author (Tsukuba Institute for Advanced Research, University of Tsukuba)
Prof. Eiji Nishibori
Institute of Pure and Applied Science, Tsukuba Research Center for Energy Materials Science (TREMS), Hydrogen Boride Research Center (HBRC), Tsukuba Institute for Advanced Research (TIAR), University of Tsukuba, Tsukuba
● Article Title
Coherent Ag-rich nanoprecipitates/β-Ag₂Se flexible film with unprecedented thermoelectric performance by liquid-like sintering
● Journal
Nature communication 16, 6010 (2025)
●DOI 10.1038/s41467-025-61079-4
ホウ化水素研究センター (HBRC)