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2022 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

Research Project

Project/Area Number 20H02820
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

山田 高広  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10358260)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords熱電材料 / ラットリング / 超伝導 / ノーダルライン半金属 / 金属間化合物 / ジントル化合物
Outline of Annual Research Achievements

結晶構造内のトンネル空間にNa原子鎖が内包された複数のSn系金属間化合物(Na-X-Sn系化合物, XはAl, Ga, In, Zn)が極めて低い格子熱伝導率と高い熱電特性を有することを明らかにした.さらに,各化合物のNa原子がトンネル伸長方向に沿って大きな振幅で振動(ラットリング)しており,Na原子間の距離が近い化合物ほど格子熱伝導率が低いことを実験的に見出した.これらNa原子の1次元的な振幅振動状態や,Naの原子間距離と格子熱伝導率との相関性は,格子動力学を取り入れた第一原理計算によっても説明され,ラットリング原子が近接することで熱伝導を担う骨格構造のフォノンの非調和性が増大し,格子熱伝導率が低下する機構が明らかになった.
超伝導物質NaAlSiの単結晶の磁気トルクや磁場中の電気抵抗率の測定によって,バルク超伝導と2次元超伝導体の共存が観測された.2次元超伝導体はバルク超伝導と異なる上部臨界磁場を有し,厚さは数nmと見積もられ,表面超伝導である可能性がある .NaAlSiと同型構造で類似した電子状態を有しながらも超伝導性を示さないNaAlGeの良質の単結晶の作製にも成功し,その電気抵抗と磁化率の測定から低温で擬ギャプが形成することを突き止めた.固溶体NaAl(Si,Ge)の単結晶を用いた系統的な測定結果と合わせて考慮することで,NaAlSiとNaAlGeの基底状態が大きく異なることが明らかになった.両化合物の基底状態を支配する要因が,電子-フォノン相互作用(NaAlSi)と電子-ホール相互作用(NaAlGe)と異なることを提唱した.
昨年度までの物質探索研究において見出した層状構造を有したNa-Mg-Bi系およびNa-Cd-Sb系化合物の単相の緻密焼結体を合成し,それらを用いて熱電特性を評価することで,各化合物の熱伝導率や無次元性能指数を明らかにすることができた.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (24 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Correlated Rattling of Sodium‐Chains Suppressing Thermal Conduction in Thermoelectric Stannides2023

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Yoshiya Masato、Kanno Masahiro、Takatsu Hiroshi、Ikeda Takuji、Nagai Hideaki、Yamane Hisanori、Kageyama Hiroshi
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 35 Pages: 2207646

    • DOI

      10.1002/adma.202207646

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fermi surface and mass enhancement in the topological nodal-line semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Uji Shinya、Konoike Takako、Hattori Yuya、Terashima Taichi、Oguchi Tamio、Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 235103

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.235103

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pseudogap Formation in the Nodal-Line Semimetal NaAlGe2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Oguchi Tamio、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 074801

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.074801

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal structure and superconductivity of NaAlSi1-xGex single crystals2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Ikenobe Toshiya、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2323 Pages: 012004

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2323/1/012004

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 活性金属を活用した合成プロセスと新規化合物で拓く物質・材料科学2023

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      第17回日本セラミックス協会MFD研究会
    • Invited
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導の検証2023

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井 大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] スズ化物Na2CdSn5の結晶構造と熱電特性2023

    • Author(s)
      山田 高広,浅宮 雄貴,山根 久典
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] NaMgSbとNaMgBiの緻密焼結体の合成と熱電特性評価2023

    • Author(s)
      松尾 直樹,榎木 勝徳,山根 久典,山田 高広
    • Organizer
      日本セラミックス協会
  • [Presentation] Synthesis and characterization of intermetallic compounds with anti-PbFCl type structure2022

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      International Workshop on Physic and Chemistry of Electronic Materials
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 金属間化合物NaMgSbとNaMgBiの合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹, 榎木 勝徳, 山根 久典, 山田 高広
    • Organizer
      第22回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導2022

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井 大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 廣井 善二
    • Organizer
      第22回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
  • [Presentation] 逆PbFCl型構造を有する金属間化合物の合成と特性評価2022

    • Author(s)
      山田高広
    • Organizer
      第32回日本MRS年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 金属間化合物NaMgX (X = Sb, Bi)の緻密焼結体の合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹、榎木 勝徳、山根 久典、山田 高広
    • Organizer
      日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
  • [Presentation] NaAlGe単結晶の合成と物性特性評価2022

    • Author(s)
      山田 高広,平井 大悟郎,小口 多美夫,山根 久典,広井 善二
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ノーダルライン半金属NaAlSiにおける表面超伝導2022

    • Author(s)
      宇治 進也, 鴻池 貴子, 服部 裕也, 寺嶋 太一, 小口 多美夫, 山田 高広, 平井 大悟郎, 池野辺 寿弥, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体NaAlSiにおける特異な磁場中電気抵抗の振る舞い2022

    • Author(s)
      池野辺 寿弥, 平井大悟郎, 山田 高広, 山根 久典, 広井 善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] トンネル構造を有した金属間化合物系熱電材料の開拓と,研究活動の近況2022

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      熱・電気エネルギー技術財団 研究助成対象者講演会
  • [Presentation] Fermi Surface and Topological Surface Superconductivity in Nodal Line Semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Shinya Uji, Takako Konoike, Yuya Hattori, Taichi Terashima, Tamio Oguchi,Takahiro Yamada, Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Possible Surface Superconductivity in the Nodal-Line Semimetallic Superconductor NaAlSi2022

    • Author(s)
      Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, Takahiro Yamada, Hisanori Yamane, Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 金属間化合物 NaMgX (X = Sb, Bi)の合成と熱電特性評価2022

    • Author(s)
      松尾 直樹, 榎木 勝徳, 山根 久典, 山田 高広
    • Organizer
      第19回日本熱電学会学術講演会
  • [Presentation] Single crystal growth and physical properties of a topological nodal-line semimetal candidate NaAlSi2022

    • Author(s)
      Takahiro Yamada, Daigorou Hirai, Toshiya Ikenobe, Hisanori Yamane, Zenji Hiroi
    • Organizer
      APAC-Silicide 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synthesis, crystal structures, and thermoelectric properties of NaMgX2022

    • Author(s)
      Naoki Matsuo, Takahiro Yamada, Masanori Enoki, Hisanori Yamane
    • Organizer
      APAC-Silicide 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Naを含有する極性金属間化合物の開拓と特性評価2022

    • Author(s)
      山田 高広
    • Organizer
      「新物質開発の展開と展望」ワークショップ
    • Invited
  • [Remarks] 物質の熱伝導率を低減させる新機構を発見 -高性能な熱電材料開発の新たな指針に-

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/12/press20221226-01-thermo.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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