2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation and comprehensive exploration of high performance thermoelectric semiconductor utilizing natural quantum structure of layered transition metal compound
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19H02425
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
片瀬 貴義 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱電変換材料 / 層状半導体 / 量子構造 / 材料設計 / 低環境負荷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無毒で豊富な元素で構成される高性能熱電半導体の実現を目指して、層状遷移金属化合物のバルク二次元電子ガスを利用して巨大熱電能を引き出す、その材料設計指針を確立することを目的としている。昨年度に実現したKCoO2型層状化合物SrTiN2, BaZrN2, BaHfN2の高純度バルク焼結体について詳細な半導体特性解析と電子構造評価を行った。ゼーベック係数と電気伝導度から重み付きキャリア移動度とキャリア濃度を算出した。SrTiN2のキャリア濃度は10^20cm-3で縮退伝導を示し、赤外分光測定から室温の粒内電子移動度は10cm2/Vs程度であることを明らかにした。一方、BaHfN2では10^18cm-3までキャリア生成が抑制されており、放射光光電子分光からフェルミレベルは伝導帯下端から430meVの位置にあることが確認された。化学結合解析と欠陥計算から、BaHfN2のHf-N結合力が強いために窒素欠損が生成しにくく、不純物酸素を取り組みにくいことが分かった。電子構造・欠陥計算と化学結合解析を併用して合成プロセスを設計し、大気中で不安定な物質でも不純物や欠陥の生成を抑制して新しい半導体材料を実現する手法を確立した。この研究成果はInorganic Chemistry誌に出版された。上記の研究手法を応用し、層構造が異なるα-NaFeO2型層状化合物SrZrN2とSrHfN2や、2次元MoN層を有するMgMoN2の合成と計算にも取り組んだ。特にMgMoN2は電子と正孔の有効質量が小さく、両極性ドーピングが可能な半導体として有望であることを明らかにした。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Journal Article] Design, Synthesis, and Optoelectronic Properties of the High-Purity Phase in Layered AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) Semiconductors2022
Author(s)
Akihiro Shiraishi, Shigeru Kimura, Xinyi He, Naoto Watanabe, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Makoto Minohara, Kosuke Matsuzaki, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 61
Pages: 6650-6659
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Electronic and Lattice Thermal Conductivity Switching by 3D-2D Crystal Structure Transition in Nonequilibrium (Pb1-xSnx)Se2022
Author(s)
Y. Nishimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Suguru Kitani, Kota Hanzawa, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hitoshi Kawaji, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Adv. Electron. Mater.
Volume: 0
Pages: 2200024
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Large phonon drag thermopower boosted by massive electrons and phonon leaking in LaAlO3/LaNiO3/LaAlO3 heterostructure2021
Author(s)
Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Nano Lett.
Volume: 21
Pages: 9240-9246
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Breaking of thermopower - conductivity trade-off in LaTiO3 film around Mott insulator to metal transition2021
Author(s)
Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Takaki Onozato, Keisuke Ide, Bin Feng, Tetsuya Tohei, Hidenori Hiramatsu, Hiromichi Ohta, Yuichi Ikuhara, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Adv. Sci.
Volume: 8
Pages: 202102097
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] 3D-2D structural phase transition and giant electronic conductivity modulation in non-equilibrium hetero-structural alloy, (Pb1-xSnx)Se2021
Author(s)
Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hideto Yoshida, Shiro Kawachi, Junichi Yamaura, Masato Sasase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Two-dimensional layered semiconductors AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf); high-purity bulk synthesis and electronic property characterization2021
Author(s)
Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
2021 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
Int'l Joint Research
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[Presentation] Appearance and large enhancement of phonon drag thermopower by epitaxial strain and phonon leaking from LaAlO3 in LaNiO32021
Author(s)
Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
Materials Research Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic structures and electronic properties of 2-dimensional layered semiconductors, AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf)2021
Author(s)
Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
Organizer
The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
Int'l Joint Research
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