2015 Fiscal Year Research-status Report
ランダム性を持つカゴ状熱電変換物質における電子の量子干渉を活用した物質設計の探求
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15K06487
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
赤井 光治 山口大学, 国際総合科学部, 准教授 (20314825)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 堅剛 山口大学, 理工学研究科, 助教 (50234216)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / クラスレート半導体 / 電子構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では「ランダム化がもたらす均一性」の概念を検証し、熱電性能の向上指針を検討することを目的として、4つのサブテーマを設定し研究を行ってきた。現状では、(1) 2次元クラスレートモデルを用いた、ランダムポテンシャルが電子構造におよぼす効果の検討を主体的に行い,ほぼ予定した段階まで研究を進められている。以下に、具体的な進捗状況を示す。
実際に存在するクラスレート半導体はIV族半導体と同様に原子が４配位の結合を持つカゴ状ネットワークで構成される３次元的な構造であるが、これをグラフェンなどと同様の3配位の近接原子を持つカゴ状ネットワークで構成される仮想的な２次元結晶構造を考え、その電子構造を調べた。この時、現実のクラスレート半導体は幾つかのカゴ状構造の組み合わせにより多様で大きな単位格子を実現しており、我々の２次元モデルでもクラスターブロックに基づく構造を再現させることに成功した。この構造モデルに基づき、まずは半導体構造を持つバンド構造を持つ結晶ポテンシャルの構成を行い、バンドモデルの構築を行った。
次に、構築できたバンドモデルを用い、単位格子のサイズ依存性とバンド構造の関係を調べた。また、同様の２次元クラスレート構造モデルを用い、ホストサイトに２種類の原子をランダムに置換することで原子のランダム性がバンド構造におよぼす影響を調べた。ただ、原子配置のランダム性によるキャリア散乱効果を考慮したキャリア伝導の評価についてはまだ十分な結果を得られていない。今後、この点を調べる課題が残されている。
また、具体的なクラスレート半導体におけるランダムポテンシャルによる散乱効果の探求については、置換原子におけるポテンシャルを見積もるためタイプI構造クラスレート半導体において局在基底を用いた電子構造計算を実施し、その特徴を調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は以下に示すような４つのサブテーマで進めている：( 1 ) 2 次元のクラスレートモデルを用い、ランダムポテンシャルが電子状態におよぼす効果を物理的に調べる。( 2 )具体的なクラスレート半導体においてホストサイト置換系に対するバンド構造計算を行い、原子置換によるランダムポテンシャルを計算、得られたランダムポテンシャルのモデルを用いキャリア伝導を調べる。( 3 )理論の結果を検証するため、ホストサイト置換の条件を変化させたサンプルの作成と、その輸送特性・熱電特性の測定をする。( 4 )ランダム化による物質設計に基づき高性能熱電材料実現の可能性を、理論グループと実験グループが連携し、新規クラスレートにおいて探求する。
研究計画ではサブテーマ(1)を完了し、それに基づきサブテーマ(2-4)を行う予定にしている。現状でほぼ予定通りであるが、サブテーマ(1)におけるキャリア伝導に対する評価がまだ不十分であり、今後の課題となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね予定した通りに研究が進んでいるが研究結果が不十分な部分もあるためこれまでの研究の進捗状況に合わせ今後の研究を進める。今後の研究方針の概要を以下に示す。
２次元モデルの計算から得られた知見に基づき、具体的なクラスレート半導体において、ランダムポテンシャルの効果がどのように電子構造および輸送特性に影響を及ぼすかの検討を行う。ただし、輸送特性に対する影響については、まだ十分な結果が得られていないため、引き続き検討を行う。具体的な物質としては、クラスレート半導体Ba8Ga16X30(X=Si,Ge, Sn)（理論的にはGa 組成が16 で真性半導体となる）を予定しているが、タイプII構造を持つSn系, Ga系や他のタイプI構造系についても最近の研究動向から本研究の対象として適する可能性が見えてきたので検討を行いたいと考えている。計算手法としては、不純物ポテンシャルモデルを用い、ランダムにGaを配置した構造に対して結晶全体のランダム結晶ポテンシャルを構築し、電子構造計算と輸送特性計算を行う。更に、「置換クラスレートの作成とキャリア伝導測定」ではIII/IV族のランダム置換系の試料作成、作成条件の検討、結晶性の評価と共に物性特性として移動度、電気伝導度、熱電気特性を測定する。更にクラスレート半導体に対する理論研究と連動し、実験結果を理論的な輸送特性の解析に提供、その結果をフィードバックさせるサイクルによる検討を進める。また「新規クラスレート材料高性能化の探索」の検討を開始する。また、輸送特性の測定では、低温測定を行い、ランダムポテンシャルの散乱効果の物理的な特徴を明確にするようにする。
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| Causes of Carryover |
研究の進捗により、28年度及び29年度において、計算システムの整備、実験部材の調達および研究成果発表において追加的な経費が必要な可能性が出てきたことから、今年度予算の一部を次年度以降に回した。このため、予定していた性能のシステムを導入するために工夫が必要となり時間はかかってしまったが予算を低減し必要な性能のシステム整備を行った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
計算システムの整備、実験部材の調達および研究成果発表に使用する。
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Research Products
(4 results)
