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ハーフメタルフルホイスラーの規則度制御による性能向上と次世代デバイスのチャレンジ

Research Project

Project/Area Number 20J11073
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 30010:Crystal engineering-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Li Hezhang  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsハーフメタル / フルホイスラー / 熱電 / 規則度 / 熱電性能 / 電子構造解析
Outline of Research at the Start

本研究では、自動車や工場の排熱を回収できる、ハーフメタルのフルホイスラー合金系熱電材料と熱電デバイスの開発を行う研究を進めて行く。フルホイスラー合金の規則度と熱電特性の関係を解明し、電子構造計算で高い出力因子をもつフルホイスラー合金を効率よく探索する。電子構造計算によるスクリーニングと実験を組み合わせて熱電材料を開発する点も本研究の特色である。
本研究により、金属でも熱電材料と熱電デバイスに使えることが明らかになれば、熱電材料の選択幅が大きく広がり、熱電発電が現実のものとなる。本研究成果は省エネルギー化をもたらし、持続可能な社会の実現に大きく寄与するものを行う研究である。

Outline of Annual Research Achievements

熱電材料の性能は,出力因子 PF (= S2σ) で表される.ここで,Sとσはゼーベック係数と電気伝導率である.本研究の目的は,PFが高いp型のフルホイスラー熱電材料を創製することである.今年度は,アンチサイト欠陥の導入(規則度の制御)と部分置換で,キャリア密度の最適化による PF の向上を試みた.
作製条件を調整することで,Mn2VAlにアンチサイト欠陥を導入した.Sはアンチサイト欠陥量の調整によって最大値を得た.計算値と実験値を比較した結果,アンチサイト欠陥の導入によるキャリア密度の増大がSの増加に大きく寄与していることがわかった.
Si元素部分置換でキャリア密度を最適化することで,PFの向上を試みた.このPFの値は,これまでに報告されたMn2VAlの中で最も高い値であった.また,構造解析の結果,Siで部分置換したMn2VAlフルホイスラーにもアンチサイト欠陥が存在していることがわかった.結果として,アンチサイト欠陥があるSi部分置換のMn2VAlで,無置換より4倍高いPFを得た.
構造解析を用いて,Mn2CoAlは予想的なスプンギャプレス半導体からハーフメタルの構造に変化してることがわかった.また,元素部分置換でアンチサイト欠陥が存在していると電子構造が変わることがわかった.結果として,高い性能を持つMn2CoAlフルホイスラーを作製するため,アンチサイト欠陥の制御が必要であることが初めて判明した.研究成果は,英語論文で報告した.
以上の通り,Mn2VAlにおけるアンチサイト欠陥の導入と部分置換によるPFの増大を実証し,熱電性能を大幅に増大できることを示した.Mn2CoAlにおけるアンチサイト欠陥の制御と部分置換による熱電性能を大幅に増大できることを示した.有望な熱電材料の1つであるフルホイスラーの高性能化のみならず応用物理の発展に寄与するところが少なくない.

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Effects of Disorder on the Electronic Structure and Thermoelectric Properties of an Inverse Full-Heusler Mn2CoAl Alloy2021

    • Author(s)
      Li Hezhang、Hayashi Kei、Nagashima Yoshimi、Yoshioka Shun、Dong Jinfeng、Li Jing-Feng、Miyazaki Yuzuru
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 33 Issue: 7 Pages: 2543-2547

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.0c04902

    • Related Report
      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Magnetic Full-Heusler Compounds for Thermoelectric Applications2021

    • Author(s)
      Hayashi Kei、Li Hezhang、Eguchi Mao、Nagashima Yoshimi、Miyazaki Yuzuru
    • Journal Title

      Magnetic Materials and Magnetic Levitation

      Volume: -

    • DOI

      10.5772/intechopen.92867

    • ISBN
      9781839621604, 9781839621611
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Distinct impact of order degree on thermoelectric power factor of p-type full-Heusler Mn2VAl compounds2020

    • Author(s)
      Li Hezhang、Hayashi Kei、Dong Jinfeng、Li Jing-Feng、Miyazaki Yuzuru
    • Journal Title

      Materials Research Express

      Volume: 7 Issue: 5 Pages: 055503-055503

    • DOI

      10.1088/2053-1591/ab875b

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of disorder on electronic structure and thermoelectrical properties of inverse full-Heusler Mn2CoAl alloys2020

    • Author(s)
      H. Li, K. Hayashi, Y. Nagashima, S. Yoshioka, J. Dong, J. ーF. Li and Y. Miyazaki
    • Organizer
      The 5th Asian Conference on Thermoelectrics (ACT5) &The 6th Southeast Asia Conference on Thermoelectrics (SACT6) (2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Preparation and Thermoelectric Properties of Mn2CoAl Inverse Full-Heusler Alloy2020

    • Author(s)
      H. Li, K. Hayashi, Y. Nagashima, and Y. Miyazaki
    • Organizer
      The 2020 Magnetism and Magnetic Materials Virtual Conference (MMM2020), (2-6 November 2020, online)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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