2020 Fiscal Year Annual Research Report
開いた異方的空間におけるラットリング現象の解明と，それを活用した熱電材料の創出
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20H02820
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山田 高広 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10358260)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ジントル化合物 / 熱電材料 / 結晶構造 / 超伝導 / トポロジカル物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題で対象とする低次元ネットワーク構造を有したジントル化合物の合成と探索を行った結果，Na-Cd-Sn系において３つの新規化合物NaCd0.92Sn1.08，Na(Cd0.28Sn0.72)2，およびNa2CdSn5を合成することに成功し，それらの結晶構造を単結晶X線構造解析により決定した．このうち，Na2CdSn5は，これまでに研究代表者らが熱電材料として高い特性を示す可能性を見出しているトンネル構造を有したジントル化合物の一つであるtI-Na2ZnSn5と同型構造であった．このNa2CdSn5は，典型的なZintl化合物にみられる半導体的な振る舞いを示し，500μV/Kを超える大きなゼーベック係数を示すことを明らかにした．単相のNa2CdSn5の緻密多結晶体を合成し，その熱伝導率を含む熱電特性を評価した結果，電気伝導率が低いために無次元性能指数(ZT)の値は0.01程度の低い値が得られた．ただし，Na2CdSn5の格子の熱伝導率は約0.55 W/(mK)と，結晶相でありながら一般的なガラスの熱伝導率[ 1 W/(mK)]よりも著しく低く，熱電材料の母物質にふさわしい化合物であることが明らかになった．今後，キャリアドーピングを行い熱電特性を向上させることを目指す．
本課題における物質・材料の探索的な合成研究の過程で，２次元性の強い層状化合物で超伝導性を示すことが知られているNaAlSIの数ミリ角の単結晶を育成することができた．この単結晶を用いることで電気伝導性，磁化率，比熱といった物性を詳細に評価することが可能となり，この化合物が異常な電子相関を有した異方的な超伝導体であることを明らかにすることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の当初数ヶ月はコロナウイルスの影響で十分な実験を行うことができなかったが，初年度中に本研課題で対象としている異方性の高いトンネル構造を有したジントル化合物を含む３つの新規化合物を見出し，それらの結晶構造や電気的特性を明らかにすることができ，年度内にその結果を論文として発表できた．これらの化合物はいずれも骨格構造は３次元的ではあるものの，そのうちの一つであるNa2CdSn5は，ab軸方向に伸びるトンネル空間にNaが配置した結晶構造を有しており，本課題で対象としている異方的な結晶構造を有している．また，格子の熱伝導率が低く，その要因はNaのラットリングによる可能性が高いことが明らかになりつつある．そのため，初年度としては，それなりに研究を進捗させることができたと考える．
ただし，残念ながら，コロナウイルスの感染状況の推移が予測できないため，SPring-8などの量子ビームを利用した外部施設や他大学へ積極的に出張し，そこでしかできない測定を行う予定や目処が立たなかった現状もある．
一方，本課題での物質探索の過程で，２次元性の強い層状化合物で超伝導性を有するNaAlSiの比較的大きな単結晶を育成できることが見出された．この物質は，近年の物性物理分野において大きな興味を持たれているトポロジカル物質として注目されていたものの，これまで，多結晶体を用いた物性評価しか行われていなかった．本課題では，この単結晶を用いて共同研究者らと詳細な物性測定を行うことで，この化合物がsp電子系化合物でありながら比較的強い電子相関と異方的な超伝導ギャップを有したエキゾチックな超伝導体であることを明らかにすることができたことは，本課題では想定していなかった成果である．この成果に関しても論文や学会発表を行うことができ，投稿論文はそのジャーナルに注目論文として取り上げられた．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度でも引き続き，種々の低次元構造を有するジントル化合物の探索を継続しながら，初年度に見出されたトンネル化合物のNa2CdSn5に対して元素置換を試み，その熱電特性の向上を図る．また，Na2CdSn5の低熱伝導性が，Naのラットリングを要因としたものかを明確にするため，低温X線回折測定による結晶構造解析を行い，Naと他の原子の原子変位パラメータの大きさと温度変化を異方性も含めて明らかにする．一方，同Na-Cd-Sn系で見出された他の新規金属間化合物では，Naはラットリング状態にないと予測されるため，その化合物の格子熱伝導率を明らかにし，Na2CdSn5の値と比較することでNaのラットリングの効果を見積もる．また，これまでにも取り扱ってきたトンネル化合物も含め，低次元構造を有する熱電材料の候補物質の配向試料や単結晶の作製を試みる．
また，初年度で思いがけずに見出された層状構造のジントル化合物NaAlSiの単結晶と精査な評価によって明らかになった電子物性や特異な超伝導性は，本研究課題で対象としている異方的な結晶構造や電子構造に深く関連していると考えられる．そのため，本課題の焦点や対象をトポロジカル物質にまで拡張して研究を展開する．具体的には，NaAlSiの超伝導性や表面，エッジ状態に関する種々の測定を共同研究者と共に行い，こうした異方的な結晶構造を有した金属間化合物のトポロジカル物質としての可能性を開拓することを目指す．また，NaAlSiの類縁化合物の合成と探索も行い，適宜それらの結晶構造と物性を評価する．
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[Presentation] 角度分解光電子分光で観察した希薄キャリア超伝導体におけるフラットバンド構造2021
Author(s)
秋元優紀, 黒田健太, 越智正之, 川口海周, 櫻木俊輔, 新井陽介, 万宇軒, 黒川輝風, 田中宏明, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 辛埴, 平井大悟郎, 廣井善二, 山田高広, 近藤猛
Organizer
日本物理学会第76回年次大会
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