| Project/Area Number |
19H02414
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26010:Metallic material properties-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
KIMURA KAORU 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30169924)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
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| Keywords | 準結晶 / 近似結晶 / キャリア密度制御 / 熱電変換材料 / 第一原理計算 / バンドエンジニアリング / 静電浮遊法 / 過冷却液体急冷 / 半導体 / バンドギャップ / 熱電特性 / 透過型電子顕微鏡 / 高対称性 / 熱電材料 / 超伝導材料 / 生成エネルギー / 電気伝導率 / ゼーベック係数 / エネルギーギャップ制御 |
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| Outline of Research at the Start |
「準結晶」は、固体構造の概念として確立したが、原子スケールの準周期を持つ半導体や絶縁体は見つかっておらず、これらの存在の有無は固体物理学の基本的問題の一つである。アルミ系「準結晶」は熱電性能が高いが、「半導体」にして性能を向上する。ボロン系「半導体結晶」はドープにより比較的高い転移温度の超伝導を示すが、「準結晶」にして転移温度をより高くする。「半導体準結晶」で、結晶とは異なる新しいトポロジカル絶縁体を創製する。
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| Outline of Final Research Achievements |
In the Al-transition metal system, we succeeded in controlling the carrier density by substituting other elements for 1/0 semiconducting approximant, and achieved dimensionless figure of merit of 0.16 and 0.25 for p-type and n-type, respectively. This is the result of proceeding to the first trial of a thermoelectric module in a quasicrystal/approximant system. Next, we selected candidate systems for semiconductors from the first-principles calculations of 1/1 and 2/1 approximant, and discovered degenerate semiconductor-like thermoelectric properties in 2/1 approximant and quasicrystal. It means the realization of a semiconductor with 2 to 3 hole dopings per unit cell of 2/1 approximant. In the B system, we showed the realization of a metastable phase of pure boron β-rhombohedral type 1/1 approximant and quasicrystal from the first-principles calculation, and succeeded in producing an unknown phase together with a known metastable phase by supercooled liquid quenching.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
固体物理学の教科書では、結晶構造の分類の次に、金属、半導体、絶縁体の分類が説明される。準結晶は100種類以上で見つかり、結晶、アモルファスと並ぶ固体構造の概念として確立したが、金属しか存在しない。「半導体準結晶」が存在するかどうかは、固体物理学の基本的な問題の一つとなっている。本研究の成果は、アルミ－遷移金属系とボロン系の両者において、「半導体準結晶」実現の一歩手前に迫っている。さらに、アルミ－遷移金属系ですでに実現した「半導体近似結晶」におけるキャリア密度制御に成功し、これを用いた準結晶・近似結晶系で初めての熱電モジュール実現にも迫る成果を上げた。
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