Anharmonicity in phonons generated by space freedom existing in perfect crystals and its applications to thermoelectrics

• Project Area: Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity
• Project/Area Number: 17H05326
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 谷垣 勝己 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (60305612)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2018: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 単結晶 / 非調和フォノン / 有機半導体 / 両極性電極 / 熱電変換 / ナノ材料 / フォノン / エネルギー変換 / 電子物性 / 物性基礎論 / 秩序と無秩序 / 電子状態 / 空間と間隙 / 電界発光素子 / 電子・電気材料

Outline of Annual Research Achievements

物質には、完全性と不完全性の両面がある。単結晶では基板界面や物質表面の構造は単結晶とは異なる局所構造が存在する。多孔質などの大きな内部空間を有する一連の物質群では、単結晶においてもその内部空間に存在する空間自由度のために、原子の運動は大きな異常振動を示し、フォノンの非調和性が発現する。このような完全性と不完全性の2つの局面は様々な形でその物性に反映される。結晶における完全性と不完全性は、本来は相反する特性であるが、その2つの特性が協奏的に働く場合には、特殊あるいは新奇な物性機能を創出する上で、重要な新しい制御方法となる事が期待される。本新学術領域研究である、「特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス」はこのような研究分野を、化合物半導体を中心として探求する新学術研究領域と言える。本公募研究では、単結晶が有する結晶の完全性と同時に存在する空間の自由度などの局所構造として存在する結晶の不完全性を詳細な構造解析により理解して、原子のダイナミクスの自由度から発現するフォノンの非調和性と電子物性との相関を研究した。また、有機半導体結晶における分子秩序の乱れによるエネルギー準位の広がりを利用して、有機半導体において優れた特性を有する両極性（電子と正孔）電極を創出すると共に、電界発光素子（EL）および電界効果型トランジスタ型有機半導体レーザ実現へ向けた研究を遂行した。
成果として、(1)空間自由度と非調和フォノンの研究に関して、クラスレート型結晶に関して提案していた統一概念を、パイロクロア型およびスクッテルダイト型の結晶を含めて適用できる可能性を探った。(2)無秩序構造を利用した両極性有機半導体電極に関して、新しい概念を提案して実現できる事を示した。これらの研究は、物質の完全性と不完全性の協奏により開拓される新機能と言う観点で、重要な研究結果である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jozef Stefane Institute(Slovenia)
• [Journal Article] Three-dimensional porous graphene networks expand graphene-based electronic device application (2018)
  • Author(s): Y. Ito, Y. Tanabe, K. Sugawara, M. Koshino, T. Takahashi, K. Tanigaki, H. Aoki, M. Chen
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 20 Issue: 9 Pages: 6024-6033
  • DOI: 10.1039/c7cp07667c
  • NAID: 120007134239
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carrier-doped aromatic hydrocarbons: a new platform in condensed matter chemistry and physics (2018)
  • Author(s): satoshi heguri, katsumi tanigaki
  • Journal Title: dalton transactions Volume: 47 Issue: 9 Pages: 2881-2895
  • DOI: 10.1039/c7dt03745g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Manifestation of vibronic dynamics in infrared spectra of Mott insulating fullerides (2018)
  • Author(s): Yuki Matsuda, Naoya Iwahara, Katsumi Tanigaki, Liviu F. Chibotaru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.165410
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A new electrode design for ambipolar injection in organic semiconductors (2017)
  • Author(s): Kanagasekaran Thangavel、Shimotani Hidekazu、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Tanigaki Katsumi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01047-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermoelectric properties of 3D topological insulator: Direct observation of topological surface and its gap opened states (2017)
  • Author(s): Stephane Yu Matsushita, Khuong Kim Huynh, Harukazu Yoshino, Ngoc Han Tu, Yoichi Tanabe, and Katsumi Tanigaki
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW MATERIALS Volume: 1 Issue: 5 Pages: 054202-054202
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.1.054202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of strain on the electronic structure, superconductivity, and nematicity in FeSe studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2017)
  • Author(s): G. N. Phan, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Sato, T. Urata, Y. Tanabe, K. Tanigaki, F. Nabeshima, Y. Imai, A. Maeda, and T. Takahashi
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 95 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.224507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crossover from localized to itinerant states in hydrocarbon Mott insulators (2017)
  • Author(s): Phan Quynh T. N.、Oikawa Shimpei、Heguri Satoshi、Matsuda Yuki、Tanigaki Katsumi
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 46 Issue: 20 Pages: 6715-6722
  • DOI: 10.1039/c7dt00467b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical transmittance and reflectance studies and evidence of weak electron?phonon interaction in Type-I Ge clathrate Ba8Ga16Ge30 (2017)
  • Author(s): Udono Haruhiko、Imai Motoharu、Kojima Shuhei、Kume Tetsuji、Tanigaki Katsumi、Tajima Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 121 Issue: 17 Pages: 175105-175105
  • DOI: 10.1063/1.4983076
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single Crystal Structure Study of Type I Clathrate, K8Zn4Sn42, K8Zn4Sn42, K8In8Sn38, and K8In8Sn38 (2017)
  • Author(s): Xu Jingtao、Wu Jiazhen、Heguri Satoshi、Tanabe Yoichi、Liu Guo-Qiang、Jiang Jun、Jiang Haochuan、Tanigaki Katsumi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 46 Issue: 5 Pages: 2765-2769
  • DOI: 10.1007/s11664-016-4960-0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-Area and Transferred High-Quality Three-Dimensional Topological Insulator Bi2-xSbxTe3-ySey Ultrathin Film by Catalyst-Free Physical Vapor Deposition (2017)
  • Author(s): Ngoc Han Tu, Yoichi Tanabe, Yosuke Satake, Khuong Kim Huynh, Katsumi Tanigaki
  • Journal Title: Nano letters Volume: 17 Issue: 4 Pages: 2354-2360
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05260
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Comparative Study of Single and Dual Gain-Narrowed Emission in 2 Thiophene/Furan/Phenylene Co-Oligomer Single Crystals (2017)
  • Author(s): H. Shang, H. Shimotani, S. Ikeda, T. Kanagasekaran, K. Oniwa, T. Jin, N. Asao, Y. Yamamoto, *H. Tamura, K. Abe, M. Kanno, M. Yoshizawa, and K. Tanigaki
  • Journal Title: J Phys. Chem. C, Volume: 121 Issue: 4 Pages: 2364-2368
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10827
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Giant magnetoresistance in BaMn2Pn2 (Pn = As, Sb, Bi) (2019)
  • Author(s): Khuong Huynh,Takuma Ogasawara, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] Hall effects in giant magnetoresistance system BaMn2Bi2 (2019)
  • Author(s): Takuma Ogasawara, Khuong Huynh, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] A new concept of electrodes for ambipolar carrier injection in organic semiconductors (2019)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, Syun Onuki, Taiki Miura, Hidekazu Shimotani
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] Comparative studies on fluorescent emission of organic semiconductors between optical and electrical pumping (2019)
  • Author(s): Taiki Miura, Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani, Syun Onuki, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] Seebeck effect in 3D topological insulator thin films (2019)
  • Author(s): Stephane Yu Matsushita, Khuong Huynh, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] Manifestation of vibronic dynamics in infrared spectra of Mott insulating fullerides (2019)
  • Author(s): Naoya Iwahara, Yuki Matsuda, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
• [Presentation] 有機半導体レーザ発振における電流励起と光励起の相関 (2019)
  • Author(s): 谷垣 勝己、カナガセカラン サンガベル、下谷 秀和、小貫 駿、三浦 大輝
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会、東京工業大学（東京）
• [Presentation] FET構造による電流注入型有機半導体DFBレーザー (2019)
  • Author(s): 下谷 秀和、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、谷垣 勝己
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会、東京工業大学、（東京）
• [Presentation] 電流注入型有機半導体DFBレーザー (2019)
  • Author(s): 下谷秀和、カナガセカランサンガベル、小貫駿、三浦大輝、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会、九州大学（福岡市）
• [Presentation] 窒素ドープした3次元ナノ多孔質グラフェンの輸送特性 (2019)
  • Author(s): 田邉洋一、伊藤良一、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会、九州大学（福岡市）
• [Presentation] 3次元トポロジカル絶縁体Sn-BiSｂTe2Sの電子輸送特性 (2019)
  • Author(s): 市村翔、松下ステファン悠、永田一秀、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会、九州大学（福岡市）
• [Presentation] Preparation of 3D topological insulator thin films by vapor phase epitaxial growth and its application to thermoelectrics (2019)
  • Author(s): K. Tanigaki
  • Organizer: The Second International Workshop Emergent Condensed-Matter Physics (ECPM2019), Ｈｉｇａｓｈｉ Hiroshima Art and Culture Hall Sakura (東広島芸術文化ホールくらら（東広島市）)
• [Presentation] Single crystal thin films of three-dimensional topological insulators via non-catalytic vapor phase epitaxial crystal growth (2019)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki (Key Note Speaker)
  • Organizer: Study of Matter at Extreme Conditions (SMEC2019), Conference Center, Celebrity Equinox (Miami, USA)
• [Presentation] Electron-phonon and electron-electron interactions in electron doped aromatic carbon materials viewed from electrical transport (2019)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki (Invited)
  • Organizer: Study of Matter at Extreme Conditions (SMEC2019), Conference Center, Celebrity Equinox (Miami, USA)
• [Presentation] A new concept of electrodes for ambipolar carrier injection in organic semiconductors (2018)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani
  • Organizer: E‐MRS 2018 Spring Meeting, Strasbourg Convention Centre (Strasbourg, France)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interplay between electron-phonon and electron-electron interactions in electron doped aromatic carbon materials viewed from electrical transport probe (2018)
  • Author(s): K. Tanigaki, S. Heguri, Y. Matsuda
  • Organizer: 12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S HTSC 2018), Beijing International Convention Center (Beijing, China)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機半導体の進展： 現状と将来 (まとめと今後の展望) (2018)
  • Author(s): 谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
  • Invited
• [Presentation] Bi2-xSbxTe3-ySey薄膜の熱電特性：電界効果を用いたフェルミ準位の制御とその影響 (2018)
  • Author(s): 松下ステファン悠、Khuong Kim Huynh、田邉洋一、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] 3次元トポロジカル絶縁体Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2Sの電子輸送特性：電気抵抗、ホール抵抗、磁気抵抗及びゼーベック係数の複合測定 (2018)
  • Author(s): 市村翔、松下ステファン悠, 谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] BaMn2Bi2におけるホール抵抗の面内磁場依存性 (2018)
  • Author(s): 小笠原拓磨、Khuong Kim Huynh、谷垣勝己、松下ステファン悠、田原大夢、木田孝則、萩原正幸
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] Giant magnetoresistance in magnetic multipolar BaMn2Pn2 (Pn = As, Sb, Bi) (2018)
  • Author(s): K.-Khuong Huynh, T. Ogasawara, T. Tahara, T. Kida, M. Hagiwara, K. Tanigaki
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会, 同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] 電気輸送および磁気特性からみたモット絶縁体領域のA3C60超電導体の電子状態 (2018)
  • Author(s): 谷垣勝己、平郡諭、松田祐貴
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] 電流駆動有機半導体レーザの構造と物性 (2018)
  • Author(s): 谷垣勝己、下谷秀和、Thangavel Kanagasekara、小貫駿、三浦大輝、
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学（京田辺市）
• [Presentation] 電気輸送特性からみたA3C60のモット境界における電子状態 (2018)
  • Author(s): 谷垣 勝己、松田 祐貴、平郡 諭
  • Organizer: 第55回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム、東北大学（仙台市）
• [Presentation] 電場駆動有機半導体レーザの特性 (2018)
  • Author(s): 谷垣 勝己、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、下谷 秀和
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場（名古屋市）
• [Presentation] 電流励起と光励起有機半導体レーザーの比較 (2018)
  • Author(s): 下谷 秀和、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、谷垣 勝己
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場（名古屋市）
• [Presentation] Itinerant antiferromagnetic BaMn2Pn2 showing both negative and positive large magnetoresistance (2018)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Khuong Kim Huynh, Takuma Ogasawara, Keita Kitahara, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon
  • Organizer: J-physics International Workshop University of Otago (Danieden, New Zealand)
• [Presentation] A new electrode design for ambipolar carrier injection in organic semiconductors and its applications to light emitting diodes (2018)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani
  • Organizer: 2018 APS March meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電流注入型有機半導体レーザーの解析と展望 (2018)
  • Author(s): 下谷秀和, タンガベル カナガセカラン, 葛西啓一郎, 小貫駿, 三浦大輝, 谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] 電流注入型有機半導体レーザーの解析と展望 (2018)
  • Author(s): 下谷 秀和、タンガベル カナガセカラン、葛西 啓一郎、小貫 駿、三浦 大輝、谷垣 勝己
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 電気輸送から見たA3C60超電導体の電子状態 (2018)
  • Author(s): 谷垣勝己、松田祐貴、平郡諭
  • Organizer: 超伝導かけはしワークショップ
• [Presentation] Fabrication of 3D-topological Insulators and graphene and their applications (2017)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki
  • Organizer: Study of Materials at. Extreme Condition (SMEC) 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Order and disorder in intercalation compounds From graphene to topological insulators (2017)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Yu Stephane Matsushita, Yoichi Tanabe, Tu Ngcc Han
  • Organizer: International Conference on Intercalation Compounds (ISIC19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mott and Jahn-Teller Physics in Expanded Fulleride Superconductors Viewed from Magnetic and Transport Probe (2017)
  • Author(s): Katsumi Tanigaki, Yuki Matsuda and Satoshi Heguri
  • Organizer: E-MRS 2017 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トランジスタ構造による電流励起有機半導体レーザー (2017)
  • Author(s): 下谷秀和, サンガベル カナガセカラン , 葛西啓一郎, 小貫駿, 谷垣勝己
  • Organizer: レーザー学会第514回研究会: 有機固体レーザー
• [Presentation] Gain-Narrowing in a Light-Emitting Organic Field-Effect Transistor (2017)
  • Author(s): Hidekazu Shimotani, Kanagasekaran Thangavel, Keiichiro Kasai, Shun Onuki, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: New Frontier of Molecular Materials
• [Presentation] BP3T単結晶のPLおよびEL発光におけるスペクトル狭帯域化の選択性 (2017)
  • Author(s): 下谷秀和, Thangavel Kanagasekaran, 葛西啓一郎, 小貫駿, 谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] BaMn2Pn2(Pn=Mn,Sb,Bi)で観測される巨大磁気抵抗効果：合成と物性 (2017)
  • Author(s): 谷垣勝己、Huynh K. Khuong,小笠原拓磨、北原慶汰、平郡諭、松下ステファン悠、田邊洋一、青山拓也、大串研也、木田孝則、萩原政幸
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Dependencies on Pn elements of the magnetotransport phenomena in BaMn2Pn2 antiferromagnetic insulators (Pn=As,Sb,Bi) (2017)
  • Author(s): Khuong K. Huynh, Takuma Ogasawara, Keita Kitahara, Satoshi Heguri, Stephane Yu Matsushita, Yoichi Tanabe, Kenta Ogasawara, Takuma Aoyama, Kenya Ohgushi, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会,
• [Presentation] BaMn2Bi2における磁気抵抗効果およびホール効果 (2017)
  • Author(s): Takuma Ogasawara、Khuong, K. Huynh, Keita Kitahara, Satoshi Heguri,Stephane Yu Matsushita, Yoichi Tanabe, Kenya Ohgushi, Takuma Aoyama, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 磁場中輸送特性からみた3次元トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySey薄膜の」電子状態 (2017)
  • Author(s): 田邊洋一、佐竹遥介、Khuong, K. Huynh, 松下ステファン悠,谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 高品質3次元トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySey(BSTS)の気相エピタキシャル薄膜成長と物性 (2017)
  • Author(s): Tu Ngcc Han, 田邊洋一、松下ステファン悠、Khuong K. Huynh、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大
• [Presentation] 3次元トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySey(BSTS)薄膜の熱電特性の直接観察II (2017)
  • Author(s): 松下ステファン悠、Khuong K. Huynh, 吉野治一、Tu Ngcc Han、田邊洋一、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] C603-モット絶縁相における圧力下電子状態 (2017)
  • Author(s): 平郡諭、松田祐貴、及川新平、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 芳香族モット絶縁体の輸送特性 (2017)
  • Author(s): 平郡諭、松田祐貴、Phan Thi Quynh、谷垣勝己
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 有機発光トランジスタにおける利得狭帯化 (2017)
  • Author(s): 下谷 秀和、カナガセカラン サンガベル、葛西 啓一郎、小貫 駿、谷垣 勝己
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] ナノ固体物理研究室、東北大学
  • URL: http://sspns.phys.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 東北大学ナノ固体物理研究室
  • URL: http://sspns.phys.tohoku.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] Electrodes for organic semiconductors and its device, (2017)
  • Inventor(s): Katsumi Tanigaki et al.
  • Industrial Property Rights Holder: Katsumi Tanigaki et al.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2017