半導体シリコンクラスレートの探索

• Project Area: New Materials Science Using Regulated Nano Spaces －Strategy in Ubiquitous Elements
• Project/Area Number: 22013019
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 今井 基晴 独立行政法人物質・材料研究機構, 超伝導物性ユニット, グループリーダー (90354159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鵜殿 治彦 茨城大学, 工学部, 准教授 (10282279)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,400,000 (Direct Cost: ¥4,400,000); Fiscal Year 2011: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2010: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
• Keywords: クラスレート / シリコン / シリサイド / 半導体

Research Abstract

持続可能な社会発展のためには、太陽光発電を可能にする太陽電池や廃熱を利用して発電ができる熱電変換素子が必要である。更にこれらの材料は地球上における埋蔵量が比較的多い元素、ユビキタス元素、から構成されることが理想的である。このような材料の候補の一つとして、いわゆるユビキタス元素Si(地殻埋蔵量第1位)を主な構成元素とする化合物であり、金属を内包する籠状ネットワークSi20、Si24をモチーフとする配列ナノ空間物質Siクラスレート(包接化合物)M8Si46が考えられる。Siクラスレートは太陽電池材料、熱電変換材料として有望視されているが、従来合成されてきたSiクラスレートは金属であり、これらの用途には適さなかった。本研究課題では、二元系アルカリ金属SiクラスレートK8Si46の8個のSi原子を13族元素Ga原子に置換することによって半導体Siクラスレートを合成することを提案している。本年度は、昨年度合成したK8Ga8Si38の光吸収係数測定および電気抵抗測定を行った。光吸収回数測定によりK8Ga8Si38は約0.1eVのエネルギーギャップを持つ間接遷移型半導体であることが明らかになった。このエネルギーギャップの値は第一原理計算で予想された値よりも約1eV小さい。2-300Kでの電気抵抗測定の結果、電気抵抗率は温度の上昇とともに小さくなることが分かった。これはK8Ga8Si38が半導体であることと一致している。またこの温度領域ではK8Ga8Si38の伝導機構が可変領域ホッピングモデルで表されることが分かった。
また、配列ナノ空間物質であるZintl相シリサイドBaSi2、Sr1-xBaxSi2の合成・物性評価も行った。特に、BaSi2の格子定数の温度変化を粉末X線回折により調べ、BaSi2の熱膨張係数がSiや他の遷移金属ダイシリサイドに比べて大きいことが明らかになった。

Research Products

• [Journal Article] Semiconducting behavior of type-I Si clathrate K_8Ga_8Si_<38> (2011)
  • Author(s): M.Imai, A.Sato, H.Udono, Y.Imai, H.Tajima
  • Journal Title: Dalton Trans Volume: 40 Issue: 16 Pages: 4045-4047
  • DOI: 10.1039/c1dt10071h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Expansion of Alkaline-Earth-Metal Disilicides AeSi_2 (Ae=Ca, Sr and Ba) (2011)
  • Author(s): M.Imai
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys Volume: 50 Issue: 10R Pages: 1045020-104521
  • DOI: 10.1143/jjap.50.101801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Si Clathrate Compounds (2011)
  • Author(s): M.Imai, Y.Imai
  • Journal Title: Journal of The Surface Finishing Society of Japan Volume: 62 Issue: 10 Pages: 477-477
  • DOI: 10.4139/sfj.62.477
  • NAID: 10029773792
  • ISSN: 0915-1869, 1884-3409
• [Journal Article] Basic properties of Sr_<1-x>Ba_xSi_2 (2011)
  • Author(s): M.Imai, A.Sato, T.Kimura, T.Aoyagi
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 519 Issue: 24 Pages: 8496-8500
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2011.05.040
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical trends of the band gaps in semiconducting silicon clathrates (2011)
  • Author(s): Y.Imai, A.Watanabe
  • Journal Title: Phys.Procedia Volume: 11 Pages: 59-62
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical trends of the band gaps of idealized crystal of semiconducting silicon clathrates, M_8Si_<38>A_8 (M=Na, K, Rb, Cs ; A=Ga, Al, In), predicted by first-principle pseudopotential calculations (2011)
  • Author(s): Y.Imai, M.Imai
  • Journal Title: J.Alloys Compd. Volume: 509 Pages: 3924-3930
  • Peer Reviewed
• [Presentation] BaSi_2の格子定数の温度依存性 (2012)
  • Author(s): 今井基晴
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東京、日本
• [Presentation] 半導体Siクラスレートの探索 (2012)
  • Author(s): 今井基晴
  • Organizer: 第9回特定領域会議
  • Place of Presentation: つくば、日本
• [Presentation] 半導体Siクラスレートの探索 (2011)
  • Author(s): 今井基晴
  • Organizer: 第18回シリサイド系半導体研究会
  • Place of Presentation: 山形、日本(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-03
• [Presentation] 半導体Siクラスレートの探索 (2011)
  • Author(s): 今井基晴、佐藤晃、今井庸二、鵜殿治彦、田島裕之
  • Organizer: 春季第58回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 厚木、日本
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] 半導体Siクラスレートの探索 (2011)
  • Author(s): 今井基晴、佐藤晃、今井庸二、鵜殿治彦、田島裕之
  • Organizer: 日本物理学会第66回年次会
  • Place of Presentation: 新潟、日本
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] Semiconducting behavior of type-I Si clathrate K_8Ga_8Si_<38> (2011)
  • Author(s): M.Imai, A.Sato, H.Udono, Y.Imai
  • Organizer: 特定領域研究国際会議「配列ナノ空間物質が拓く新物質科学:基礎と展開」
  • Place of Presentation: つくば、日本
• [Presentation] 14族四面体を持つ化合物のエネルギーギャップ (2011)
  • Author(s): 今井基晴、山田高広、山根久典
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 山形、日本
• [Presentation] BaSi_2の結晶構造における温度効果 (2010)
  • Author(s): 今井基晴、佐藤晃
  • Organizer: 日本物理学会秋季年会
  • Place of Presentation: 大阪、日本
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] アルカリ土類金属ダイシリサイドの格子定数の温度依存性 (2010)
  • Author(s): 今井基晴
  • Organizer: 秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎、日本
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] Chemical trends of the band gaps in semiconducting silicon clathrates (2010)
  • Author(s): Y.Imai, A Watanabe
  • Organizer: APAC-Silicide 2010
  • Place of Presentation: つくば、日本
  • Year and Date: 2010-07-25
• [Presentation] Basic properties of Sr_<1-x>Ba_xSi_2 (2010)
  • Author(s): M.Imai, A.Sato, T.Kimura, T.Aoyagi
  • Organizer: APAC-Silicide 2010
  • Place of Presentation: つくば、日本
  • Year and Date: 2010-07-24