The effect of phason strain on the phonon transport properties of incommensurate chimney-ladder compounds

• Project Area: Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space
• Project/Area Number: 22H04580
• 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: 宮崎 讓 東北大学, 工学研究科, 教授 (40261606)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 非整合化合物 / 格子熱伝導率 / 熱電特性 / フォノン物性 / 非整合複合結晶 / フェイゾン歪

Outline of Research at the Start

非整合複合結晶におけるフェイゾン歪の形態とそのダイナミクスを、詳細な結晶構造解析と高分解能電子顕微鏡観察を通して解明し、併せて熱輸送特性に及ぼす影響を体系化する、これまでに例のない研究である。
応用面では、これまで高性能熱電材料の候補として挙げられてきた非整合複合結晶群に対して、格子熱伝導率低減のためのフォノン散乱中心の新概念として、フェイゾン歪の適用を提案する。従来、フォノン散乱中心としては、結晶中の格子欠陥や原子の変位変調、結晶粒微細化等が提案されていたが、本研究ではナノレベルでの有効な散乱中心として、新たにフェイゾン歪による特有のナノ組織を形成させる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、(3+1)次元の高次元対称性を有するチムニーラダー型化合物を対象とし、詳細な結晶構造解析と物性測定を通して、非整合複合結晶特有のフェイゾン歪が織りなす多彩なナノ組織の形態とそのダイナミクスを明らかにするとともに、ナノ組織がフォノン物性（特に格子熱伝導率）に及ぼす影響を解明することを目的とした。
まず、マンガンケイ化物の基本物性を深く理解するために良質単結晶を作製し、輸送特性の異方性を詳細に調べた。元来持つ異方的結晶構造から予想されたように、正方晶のa軸方向に電気伝導性が高くゼーベック係数が低いことが確認された。熱電性能指数zは、ゼーベック係数の２乗に電気伝導率を乗じ、熱伝導率で割った量であり、それぞれが異方性を有することから、z自体の異方性はa軸方向とそれに垂直な方向で、２程度に収まった。
続いて、MnサイトまたはSiサイトを種々の元素で部分置換した試料を作製し、室温における音速の異方性を測定した。室温における縦波と横波のみを測定したところ、部分元素置換した試料は無置換試料に対して縦波・横波とも大幅な減速がみられ、元素置換が格子熱伝導率に大きく寄与することが示唆された。更に、Mnサイトを２種類の元素で部分置換した試料を合成し、その固溶範囲や結晶構造の変化および熱電特性を明らかにした。
Siサイトに対しても、部分置換が格子熱伝導率に及ぼす影響を調べることを目的として、Alで部分置換した固溶相試料を合成して固溶限の確認や微細組織観察を進めた。また、n型素子の候補として着目した、チムニーラダー型鉄ゲルマニウム化物FeGeγ (γ ~1.5) の合成条件を検討をした。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Odd‐Stoichiometry and Secondary Phase Relations in Higher Manganese Silicides (2024)
  • Author(s): Chauhan Nagendra Singh、Sara Shivalingam Goud、Bhattacharya Amrita、Mori Takao、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: NA Issue: 17
  • DOI: 10.1002/adfm.202313948
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anisotropic correlations in higher manganese silicides (2023)
  • Author(s): Chauhan Nagendra S.、Ono Ichiro、Hayashi Kei、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 935 Pages: 167983-167983
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.167983
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge-Compensated (V, Ru) Co-Substitution in Higher Manganese Silicide Single Crystals for Enhanced Thermoelectric and Mechanical Performance (2023)
  • Author(s): Chauhan Nagendra Singh、Ono Ichiro、Hayashi Kei、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 6 Issue: 7 Pages: 3714-3723
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c03803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Higher manganese silicides: A Nowotny chimney ladder phase for thermoelectric applications (2023)
  • Author(s): Chauhan Nagendra S.、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: Chemical Physics Reviews Volume: 4 Issue: 4
  • DOI: 10.1063/5.0167220
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Discordant Doping and Labile Silicon Atoms in Higher Manganese Silicide (2023)
  • Author(s): Chauhan Nagendra Singh、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 6 Issue: 23 Pages: 11828-11837
  • DOI: 10.1021/acsaem.3c01674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lattice anharmonicity in charge compensated higher manganese silicide single crystals (2023)
  • Author(s): Chauhan Nagendra Singh、Ono Ichiro、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 11 Issue: 35 Pages: 19107-19117
  • DOI: 10.1039/d3ta02985a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relevance of Solidification Kinetics for Enhanced Thermoelectric Performance in Al-Doped Higher Manganese Silicides (2022)
  • Author(s): Chauhan Nagendra S.、Ono Ichiro、Hayashi Kei、Miyazaki Yuzuru
  • Journal Title: ACS Applied Materials and Interfaces Volume: 14 Issue: 46 Pages: 51983-51993
  • DOI: 10.1021/acsami.2c16107
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Single‐phase synthesis and thermoelectric properties of nowotny chimney‐ladder FeGeγ (2023)
  • Author(s): T. Kurosawa, K. Hayashi, Y. Miyazaki
  • Organizer: The 19th European Conference on Thermoelectrics (ECT2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Incommensurate Nowotny Chimney-ladder Phases; Potential Thermoelectric Materials (2023)
  • Author(s): Y. Miyazaki, N. S. Chauhan, T. Kurosawa, K. Hayashi
  • Organizer: nternational Workshop Thermoelectric Materials: from materials chemistry and physics to devices (IWT2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superspace Approach to the Incommensurate Crystal Structure of Higher Manganese Silicide-Based Thermoelectric Materials (2023)
  • Author(s): Y. Miyazaki
  • Organizer: 8th Annual Conference of Analytix-2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高マンガンケイ化物の結晶構造と熱電特性 (2023)
  • Author(s): 宮﨑 讓
  • Organizer: 第28回日本熱電学会研究会「シリコンおよびケイ化物系熱電変換材料研究の最前線と新展開」
  • Invited
• [Presentation] Incommensurate Nowotny Chimney-Ladder phases - Potential thermoelectric materials (2023)
  • Author(s): Y. Miyazaki, N. S. Chauhan, T. Kurosawa, and K. Hayashi
  • Organizer: The International Workshop Thermoelectric Materials: from materials chemistry and physics to devices (IWT2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Partially compensated (Ru, V) co-doped higher manganese silicide single crystals (2022)
  • Author(s): N. S. Chauhan, I. Ono, K. Hayashi, and Y. Miyazaki
  • Organizer: The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials, 2022 (APAC-Silicide 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Realising enhanced thermoelectric performance in partially substituted higher manganese silicides crystals (2022)
  • Author(s): N. S. Chauhan, I. Ono, K. Hayashi, and Y. Miyazaki
  • Organizer: 18th European Conference on Thermoelectrics (ECT'22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Higher Manganese Silicides: Incommensurability and Thermoelectric Properties (2022)
  • Author(s): Yuzuru Miyazaki
  • Organizer: SIPS2022 Mizutani International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited