• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Clarification of rattling phenomenon in open anisotropic space and development of thermoelectric materials utilizing the ratling phenomenon

Research Project

Project/Area Number 20H02820
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Yamada Takahiro  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10358260)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Keywords極性金属間化合物 / ジントル化合物 / 熱電材料 / ラットリング / 超伝導 / ノーダルライン半金属 / 金属間化合物 / トポロジカル物質 / 熱電特性 / 結晶構造 / 熱伝導率
Outline of Research at the Start

本研究では結晶構造の中に1次元または2次元的な大きな低次元空間が存在し,その中で原子がラットリングと呼ばれる巨大な振幅振動状態を示す金属化合物を対象として,「開いた異方的な空間における原子のラットリング状態と,それによって低減される熱伝導率を含む熱電特性」を詳細に調べます.これらを,閉じた等方的な空間内で原子がラットリングする化合物と比較しながら,開いた異方的空間内の原子のラットリング現象の特徴とメカニズムを明らかにするともに,その現象を最大限に活用することで,熱を電気エネルギーに直接変換できる新しい熱電材料を創出することを目指します.

Outline of Final Research Achievements

In order to develop innovative thermoelectric materials, polar intermetallic compounds with a crystal structure containing guest atoms in a low-dimensional space were synthesized and their thermal and electrical properties were characterized. Experiments and calculations revealed that compounds with rattling Na atoms in the tunnel space exhibit extremely low thermal conductivity and high thermoelectric properties, and that the lattice thermal conductivity decreases in compounds with closer Na interatomic distance. This clarified the mechanism by which the closeness of rattling atoms increases the anharmonicity of phonons in the framework structure responsible for heat conduction, resulting in lower lattice thermal conductivity. In addition, a number of compounds were synthesized and characterized, such as compounds that exhibit unusual electronic and ground states at low temperatures.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

トンネル構造化合物におけるゲスト原子の異方的なラットリングと,ラットリング原子の近接によって熱伝導率が低減するメカニズムが発見・解明されたことは,学術的に大きな意義があり,従来のカゴ状構造化合物における孤立したラットリング原子では生じない現象である.今後,熱エネルギーの有効利用に必要な熱電材料の開発の新たな指針になることが期待される.また,2次元構造化合物のNaAl(Si, Ge)では,高品位な単結晶を用いて種々の低温物性を計測することで,それぞれが特異な基底状態や電子状態を有することが明らかになった.これらは,現在注目されているノーダルライン半金属の電子物性の解明に大きく寄与する成果である.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (50 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (41 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 7 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Correlated Rattling of Sodium‐Chains Suppressing Thermal Conduction in Thermoelectric Stannides2023

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Yoshiya Masato、Kanno Masahiro、Takatsu Hiroshi、Ikeda Takuji、Nagai Hideaki、Yamane Hisanori、Kageyama Hiroshi
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 35 Issue: 11 Pages: 2207646-2207646

    • DOI

      10.1002/adma.202207646

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fermi surface and mass enhancement in the topological nodal-line semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Uji Shinya、Konoike Takako、Hattori Yuya、Terashima Taichi、Oguchi Tamio、Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Issue: 23 Pages: 235103-235103

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.235103

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pseudogap Formation in the Nodal-Line Semimetal NaAlGe2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Oguchi Tamio、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Issue: 7 Pages: 074801-074801

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.074801

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal structure and superconductivity of NaAlSi1-xGex single crystals2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Ikenobe Toshiya、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2323 Issue: 1 Pages: 012004-012004

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2323/1/012004

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unusual Resistive Transitions in the Nodal-Line Semimetallic Superconductor NaAlSi2022

    • Author(s)
      Hirai Daigorou、Ikenobe Toshiya、Yamada Takahiro、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Issue: 2 Pages: 024702-024702

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.024702

    • NAID

      210000159567

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A novel ternary bismuthide, NaMgBi: crystal and electronic structure and electrical properties2021

    • Author(s)
      Takahiro Yamada, Naoki Matsuo, Masanori Enoki, Hisanori Yamane
    • Journal Title

      Zeitschrift fur Naturforschung B

      Volume: 76 Issue: 10-12 Pages: 789-795

    • DOI

      10.1515/znb-2021-0130

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis and Characterization of NaCd0.92Sn1.08, Na(Cd0.28Sn0.72)2 and Na2CdSn5 with Three-Dimensional Cd-Sn Frameworks2021

    • Author(s)
      Yuki Asamiya、Takahiro Yamada、Hisanori Yamane
    • Journal Title

      Inorganics

      Volume: 9 Issue: 3 Pages: 19-19

    • DOI

      10.3390/inorganics9030019

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Superconductivity in the Topological Nodal-line Semimetal NaAlSi2021

    • Author(s)
      Takahiro Yamada、Daigorou Hirai、Hisanori Yamane、Zenji Hiroi
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Issue: 3 Pages: 034710-034710

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.034710

    • NAID

      210000158859

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 活性金属を活用した合成プロセスと新規化合物で拓く物質・材料科学2023

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      第17回日本セラミックス協会MFD研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導の検証2023

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井 大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] スズ化物Na2CdSn5の結晶構造と熱電特性2023

    • Author(s)
      山田 高広,浅宮 雄貴,山根 久典
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] NaMgSbとNaMgBiの緻密焼結体の合成と熱電特性評価2023

    • Author(s)
      松尾 直樹,榎木 勝徳,山根 久典,山田 高広
    • Organizer
      日本セラミックス協会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Synthesis and characterization of intermetallic compounds with anti-PbFCl type structure2022

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      International Workshop on Physic and Chemistry of Electronic Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 金属間化合物NaMgSbとNaMgBiの合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹, 榎木 勝徳, 山根 久典, 山田 高広
    • Organizer
      第22回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導2022

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井 大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 廣井 善二
    • Organizer
      第22回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 逆PbFCl型構造を有する金属間化合物の合成と特性評価2022

    • Author(s)
      山田高広
    • Organizer
      第32回日本MRS年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 金属間化合物NaMgX (X = Sb, Bi)の緻密焼結体の合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹、榎木 勝徳、山根 久典、山田 高広
    • Organizer
      日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] NaAlGe単結晶の合成と物性特性評価2022

    • Author(s)
      山田 高広,平井 大悟郎,小口 多美夫,山根 久典,広井 善二
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導2022

    • Author(s)
      宇治 進也, 鴻池 貴子, 服部 裕也, 寺嶋 太一, 小口 多美夫, 山田 高広, 平井 大悟郎, 池野辺 寿弥, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体NaAlSiにおける特異な磁場中電気抵抗の振る舞い2022

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] トンネル構造を有した金属間化合物系熱電材料の開拓と,研究活動の近況2022

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      熱・電気エネルギー技術財団 研究助成対象者講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Fermi Surface and Topological Surface Superconductivity in Nodal Line Semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Shinya Uji, Takako Konoike, Yuya Hattori, Taichi Terashima, Tamio Oguchi,Takahiro Yamada, Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Possible Surface Superconductivity in the Nodal-Line Semimetallic Superconductor NaAlSi2022

    • Author(s)
      Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, Takahiro Yamada, Hisanori Yamane, Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 金属間化合物 NaMgX (X = Sb, Bi)の合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹, 榎木 勝徳, 山根 久典, 山田 高広
    • Organizer
      第19回日本熱電学会学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Single crystal growth and physical properties of a topological nodal-line semimetal candidate NaAlSi2022

    • Author(s)
      Takahiro Yamada, Daigorou Hirai, Toshiya Ikenobe, Hisanori Yamane, Zenji Hiroi
    • Organizer
      APAC-Silicide 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synthesis, crystal structures, and thermoelectric properties of NaMgX2022

    • Author(s)
      Naoki Matsuo, Takahiro Yamada, Masanori Enoki, Hisanori Yamane
    • Organizer
      APAC-Silicide 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Naを含有する極性金属間化合物の開拓と特性評価2022

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      「新物質開発の展開と展望」ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 顕微SXESにおける角度分解測定手法の開発2022

    • Author(s)
      戎凌吾, 寺内正己, 佐藤庸平, 森川大輔, 山田高広
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlGeの単結晶合成と物性評価2022

    • Author(s)
      山田高広, 平井大悟郎, 池野辺寿弥, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体NaAlSiにおける表面超伝導の可能性2022

    • Author(s)
      池野辺寿弥, 平井大悟郎, 山田高広, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiのフェルミ面と超伝導相図2022

    • Author(s)
      宇治進也, 鴻池貴子, 服部裕也, 寺嶋太一, 小口多美夫, 山田高広, 平井大悟郎, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] NaAlSi単結晶の合成と物性特性評価2022

    • Author(s)
      山田高広, 平井大悟郎, 池野辺寿弥, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 新物質と新しいプロセスで拓く物質・材料科学 -活性金属を活用した非酸化物系化合物の合成と評価-2021

    • Author(s)
      山田高広
    • Organizer
      東北大学材料科学ウェビナー2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 不純物置換したNaAlSi 単結晶の合成と超伝導特性評価2021

    • Author(s)
      山田高広, 平井大悟郎, 池野辺寿弥, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体 NaAlSi の輸送特性2021

    • Author(s)
      池野辺寿弥, 平井大悟郎, 山田高広, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体 NaAlSi の磁場侵入長測定2021

    • Author(s)
      小林雅之, 石原滉大, 六本木雅生, 水上雄太, 山田高広, 平井大悟郎, 山根久典, 広井善二, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] STM によるラインノード半金属NaAlSi の超伝導状態測定2021

    • Author(s)
      土師将裕, 佐藤優大, 山田高広, 山根久典, 平井大悟郎, 広井善二, 長谷川幸雄
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Na-Mg-Bi系金属間化合物の合成と結晶構造、およぴ電気的特性2021

    • Author(s)
      松尾直樹, 山田高広, 榎木勝徳, 山根久典
    • Organizer
      日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Possible Surface Superconductivity in the Nodal-Line Semimetal NaAlSi2021

    • Author(s)
      Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, Takahiro Yamada, Hisanori Yamane, Zenji Hiroi
    • Organizer
      The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single crystal growth and characterization of an sp electron superconductor NaAlSi with topological nodal lines2021

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 活性金属を活用したプロセスと化合物で拓く物質・材料科学2021

    • Author(s)
      山田高広
    • Organizer
      第21回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] NaAlSi単結晶の合成と超伝導特性評価2021

    • Author(s)
      山田高広, 平井大悟郎, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカルノーダルライン半金属NaAlSiにおけるエッジ状態の可能性2021

    • Author(s)
      山田高広, 平井大悟郎, 山根久典, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 角度分解光電子分光で観察した希薄キャリア超伝導体におけるフラットバンド構造2021

    • Author(s)
      秋元優紀, 黒田健太, 越智正之, 川口海周, 櫻木俊輔, 新井陽介, 万宇軒, 黒川輝風, 田中宏明, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 辛埴, 平井大悟郎, 廣井善二, 山田高広, 近藤猛
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Na-(Ga, Sn)-Sb系金属間化合物の熱電特性と結晶構造2020

    • Author(s)
      山田芳隆, 山田高広, 山根久典
    • Organizer
      第17回日本熱電学会学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 新規ジントル化合物Na2CdSn5の結晶構造と熱電特性2020

    • Author(s)
      浅宮雄貴, 山田高広, 山根久典
    • Organizer
      第17回日本熱電学会学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Na-Cd-Sn 系金属間化合物の結晶構造と熱電特性2020

    • Author(s)
      浅宮雄貴, 山田高広, 山根久典
    • Organizer
      令和2年度日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 新規ジントル化合物Na2CdSn5の合成と熱電特性評価2020

    • Author(s)
      浅宮雄貴, 山田高広, 山根久典
    • Organizer
      第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Surface states and superconductivity of the topological nodal-line semimetal NaAlSi2020

    • Author(s)
      Zenji Hiroi, Daigorou Hirai, Takahiro Yamada, and Hisanori Yamane
    • Organizer
      令和2年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 物質の熱伝導率を低減させる新機構を発見 -高性能な熱電材料開発の新たな指針に-

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/12/press20221226-01-thermo.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi