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Electronic structure and rattling of Si clathrates studied by photoelectron spectroscopy and its impact on thermoelectricity

Research Project

Project/Area Number 21K04869
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research InstitutionRitsumeikan University

Principal Investigator

Imada Shin  立命館大学, 理工学部, 教授 (90240837)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords電子状態 / キャリアドーピング / クラスレート / 籠状化合物 / シリコンクラスレート / Siクラスレート
Outline of Research at the Start

アルカリ・アルカリ土類元素(M)内包Siクラスレートは、熱電材料としての応用が期待されている。
フェルミ準位近傍のバンド分散は、熱電特性のために重要な電気伝導率とn型/p型電気伝導を支配する基礎的知見で、内包元素Mに依存するとともに、SiをGaで一部置換するなどしてケージ元素のp電子数を変化させることによっても制御できる可能性がある。本研究では価電子帯光電子分光を用いてこれを検証し、理論予測との比較を通して電子状態発現のメカニズムを定量的に解明する。さらに、Na内包クラスレートのNa内殻光電子スペクトルの多ピーク構造と内含原子のラトリングの関連についても解明する。

Outline of Final Research Achievements

We studied Si clathrates that have alkali or alkali-earth atoms filling cages. We studied not only band structure and electronic state of the atoms in the cages but also the relationship between electronic state and rattling of the atoms in the cages. Comparison between type I and II systems, whose cage structure differ, in Na-doped Si clathrates revealed that the overall band structure is very well reproduced by band structure calculation. This shows that electron correlation is very small in these systems. Moreover, we succeeded in revealing the effect of replacing Na only in the larger cage with Ba on the electronic states.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

純良な単結晶について多数のSiクラスレートおよびその周辺の系のバルク電子状態を始めて解明することに成功した。この系は熱電材料としての応用が期待されている化合物と強く関連するので、本研究の知見は熱電材料の開発に役立つと期待している。まず、Na原子が価電子帯に放出するキャリアの電子状態が実験およびバンド計算を通して解明されたこと、さらにNa原子の一部をBa原子で置換し電子ドープ量を増やしたことによる電子状態変化も定量的に明らかになったことは、応用上だけでなく基礎科学的知見からも重要である。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2024 2023 2022

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

  • [Journal Article] Bulk superconductivity in Pb-substituted BiS2-based compounds studied by hard x-ray spectroscopy2024

    • Author(s)
      Yamasaki A.、Oguni T.、Hayashida T.、Miyazaki K.、Tanaka N.、Nakagawa K.、Tamura K.、Mimura K.、Kawamura N.、Fujiwara H.、Nozue G.、Ose A.、Kanai-Nakata Y.、Higashiya A.、Hamamoto S.、Tamasaku K.、Yabashi M.、Ishikawa T.、Imada S.、Sekiyama A.、Sakata H.、Demura S.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 109 Issue: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.045131

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of the ground-state 4 f symmetry for anisotropic c f hybridization in the heavy-fermion superconductor CeNi2Ge22023

    • Author(s)
      Fujiwara H.、Nakatani Y.、Aratani H.、Kanai-Nakata Y.、Yamagami K.、Hamamoto S.、Kiss T.、Yamasaki A.、Higashiya A.、Imada S.、Tanaka A.、Tamasaku K.、Yabashi M.、Ishikawa T.、Yasui A.、Yamagami H.、Miyawaki J.、Miyake A.、Ebihara T.、Saitoh Y.、Sekiyama A.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Issue: 16

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.165121

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anisotropic magnetization and electronic structure of the first-order ferrimagnet ErCo2 studied by polarization dependent hard X-ray photoemission spectroscopy2023

    • Author(s)
      Abozeed Amina A.、Gorbunov Denis I.、Kadono Toshiharu、Kanai-Nakata Yuina、Yamagami Kohei、Fujiwara Hidenori、Sekiyama Akira、Higashiya Atsushi、Yamasaki Atsushi、Tamasaku Kenji、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Wada Hirofumi、Andreev Alexander V.、Imada Shin
    • Journal Title

      Physica B: Condensed Matter

      Volume: 649 Pages: 414465-414465

    • DOI

      10.1016/j.physb.2022.414465

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 硬X線光電子分光を用いたタイプII-クラスレートの電子状態の研究2023

    • Author(s)
      陳昱辰, 島田祐希, 臼井大智, 宮崎徹也, 浅井祥太, 島本将徳, 野末悟郎, 尾瀬朱音, 橋爪快人, 堤美和, 村上友梨, 田中菜摘, 中田惟奈, 藤原秀紀, 濱本諭, 東谷篤志, 山崎篤志, 関山明, 森戸春彦, 今田真
    • Organizer
      第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Electronic States of type-II Na-Ba-Si Clathrate Studied by Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy2022

    • Author(s)
      Y. Chen, Y. Shimada, T. Usui, T. Miyazaki, S. Asai, M. Shimamoto, G. Nozue, A. Ose, H. Hashizume, M. Tsutsumi, K. Miyazaki, Y. Murakami, N. Tanaka, Y. Kanai-Nakata, H. Fujiwara, S. Hamamoto, A. Higashiya, A. Yamasaki, A. Sekiyama, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, H. Morito, S. Imada
    • Organizer
      The 9th International Conference on Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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