トポロジカル傾斜ディラック半金属における室温巨大熱起電力効果の開拓
| Project/Area Number |
21K18813
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藤岡 淳 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (80609488)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 熱起電力効果 / 遷移金属酸化物 / 光学伝導度 / ディラック半金属 / 熱電変換 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では傾斜ディラック半金属において、状態密度の特異性(ピーク)とディラック電子の特徴である高い電子移動度によって高いゼーベック係数、電気伝導度、出力因子が生じる事を実験的に示し、ディラック電子を活用した熱電物質設計の新しい指針を得る事を目的とする。傾斜ディラック半金属の候補物質であるNaPt3O4型Pd酸化物の多結晶試料を超高圧合成によって合成し、構成元素の置換によるキャリア密度制御、結晶構造制御を行う。電荷・熱輸送特性の精密評価、光学測定と第一原理計算による電子状態評価を行い、室温での高い熱電変換効率(出力因子)とその起源を理解することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に、電子ドープしたCaPd3O4において室温で比較的高い熱電性能が見られることを明らかにした。その起源を電子状態の視点から明らかにすることを目的として、本年度はCaPd3O4における電子構造解析を行った。ノンドープのCaPd3O4について反射分光によって光学伝導度スペクトルを求めたところ、低温において約0.1eV程度の電荷ギャップが観測された。本系はPBE近似に基づく電子状態計算に基づいて対称性によって保障された傾斜ディラック半金属の候補物質であるとの提案がなされているが、実験結果はそれと相容れない事を示している。そこでHSE近似に基づく電子状態計算を共同研究で行ったところ、バンドギャップが0.25eV程度開いた狭ギャップ半導体状態である可能性が高いことが明らかとなった。また、計算結果から価電子バンドは主にPd 4dz2-r2の軌道状態からなり、伝導バンドはPd 4dx2-y2軌道状態からなることが分かった。また、伝導バンドの方が価電子バンドよりもバンド幅が比較的広いことが明らかとなった。これは平面4配位したPdO4におけるPd4d軌道と頂点酸素の軌道の混成具合から単純に予測される結果と一致している。
また、電子相関効果でバンド幅の繰り込みが生じた強相関ディラック半金属ペロブスカイト型CaIrO3における磁場中の電気伝導特性評価も行った。超高圧合成法によって合成したペロブスカイト型のCaIrO3の単結晶試料において東京大学物性研究所国際強磁場施設において低温・パルス強磁場中における磁気輸送特性の測定を行った。磁場を直方晶のa軸に印加した場合とc軸に印加した場合で著しく磁気抵抗率に違いが生じる事が分かった。数値計算によるランダウレベルの計算結果とも合わせると、Ir5d軌道のホッピングの異方性によって大きな磁場方位依存性が生じている可能性が高いことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
NaPt3O4型CaPd3O4では光学測定による電子状態評価が問題なく進み、理論予測に反してトポロジカル半金属とは異なる状態であることが明らかになった。この結果を踏まえて、電子ドープした系における電子状態を評価するために電子占有状態の状態密度をより正確に観測することができる光電子分光の測定および解析を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
電子ドープしたCaPd3O4における電子構造を実験的に明らかにするためにエネルギー高分解能の光電子分光測定および解析を進める。既に得られている第一原理計算によって明らかにした電子構造と比較検討を行い、電子ドープ系で見られている高い熱電性能の起源を明らかにすることを目指す。
また、遷移金属酸化物に限定せず強相関トポロジカル半金属の候補物質を幅広く探索し、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果などの諸物性の探求も進める。
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
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[Journal Article] Field-induced multiple metal-insulator crossovers of correlated Dirac electrons of perovskite CaIrO32022
Author(s)
R. Yamada, J. Fujioka, M. Kawamura, S. Sakai, M. Hirayama, R. Arita, T. Okawa, D. Hashizume, T. Sato, F. Kagawa, R. Kurihara, M. Tokunaga, and Y. Tokura
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Journal Title
npj Quantum Materials
Volume: 7
Issue: 1
Pages: 1-6
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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