High mobility thermoelectric materials: clathrates with controlled electronic structure in caged crystal structure by guest atomic orbital selection
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22K04699
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
岸本 堅剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (50234216)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤井 光治 山口大学, 国際総合科学部, 教授 (20314825)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 熱電材料 / クラスレート化合物 / 移動度 / 電子構造 / ゲスト原子の原子軌道 / クラスレート / 原子軌道 |
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| Outline of Research at the Start |
クラスレート化合物は，ゲスト－ホスト関係となるカゴ状格子のおかげで低い熱伝導率を持つ。一方，ゲスト原子からの影響を避け，電子がホスト格子上を通れば高い電気伝導率が得られると信じられてきたが，実際は，電子はカゴ格子内も通り，電気伝導率も期待ほど高くない。本研究では，主に，カゴ格子内での電子伝導に着目し，そこの電子構造を制御することで高い電気伝導率を目指す。その際，電子の伝導経路を作るゲスト－ホスト間の混成軌道の形状が鍵となり，中でもゲスト原子の原子軌道が重要な働きを担う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ge系タイプ1クラスレートのキャリア伝導は，当初モデルで想定されたホスト－ホスト間の混成軌道ではなく，ゲスト－ホスト間の混成軌道が利用されている。代表者らは，従来のゲスト原子Baの代わりにNaを用いたクラスレート化合物について，その合成と特性評価を行っている。本研究開始前に開発していたNa8Ga8Ge38に加えて，前年度ではNa8Al8Ge38を研究した。本年度では，その結果を論文にまとめた他，それを基にした派生形の調査や，さらに別のNa8Zn4Ge42について研究した。
1．Na8Al8Ge38：Na8Ga8Ge38に比べて有効質量が微減したが，合金散乱強化により熱伝導率が低減した。その結果，無次元性能指数ZTが向上した。
2．Na8Al8Ge38の派生形：Naのs軌道が高い熱電性能をもたらすと考えられる。s軌道を有するNa以外の元素としてSrの利用を検討した。Na8-xSrxAl8+xGe38-xやNa8-xSrxGa8+xGe38-xのサンプルを作製した。熱伝導率は低減したが，s軌道の寄与が弱くなったため，熱電性能は改善しなかった。
3．Na8Zn4Ge42：この物質はStegmaierらが2019年に合成し，結晶構造を解析したが，熱電特性は未知であった。作製方法が困難であったが，代表者らは改良した作製方法を確立し，単相のサンプルを得ることができた。ただし，その熱電特性は，Na8Ga8Ge38やNa8Al8Ge38よりも低かった。
4．X8Zn4Ge42(X=Na,K,Cs)：Na8Zn4Ge42を基準に，ゲスト原子を他のアルカリ金属に代えた化合物の電子構造と熱電特性を調べた。それらに対して，ゲスト原子のイオン半径と原子軌道種の差異が大きく影響することがわかった。例えば，結晶構造内でのキャリア伝導経路は，ゲスト原子の種類により異なるカゴ格子に存在する。
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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
当初の計画通りに実験，理論の両面において研究を進めてきている。研究成果は，学会発表するとともに，学術雑誌で公開している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通りに進めていく。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
