Clarification of rattling phenomenon in open anisotropic space and development of thermoelectric materials utilizing the ratling phenomenon

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02820
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Yamada Takahiro 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: 極性金属間化合物 / ジントル化合物 / 熱電材料 / ラットリング / 超伝導 / ノーダルライン半金属

Outline of Final Research Achievements

In order to develop innovative thermoelectric materials, polar intermetallic compounds with a crystal structure containing guest atoms in a low-dimensional space were synthesized and their thermal and electrical properties were characterized. Experiments and calculations revealed that compounds with rattling Na atoms in the tunnel space exhibit extremely low thermal conductivity and high thermoelectric properties, and that the lattice thermal conductivity decreases in compounds with closer Na interatomic distance. This clarified the mechanism by which the closeness of rattling atoms increases the anharmonicity of phonons in the framework structure responsible for heat conduction, resulting in lower lattice thermal conductivity. In addition, a number of compounds were synthesized and characterized, such as compounds that exhibit unusual electronic and ground states at low temperatures.

Free Research Field

固体化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

トンネル構造化合物におけるゲスト原子の異方的なラットリングと，ラットリング原子の近接によって熱伝導率が低減するメカニズムが発見・解明されたことは，学術的に大きな意義があり，従来のカゴ状構造化合物における孤立したラットリング原子では生じない現象である．今後，熱エネルギーの有効利用に必要な熱電材料の開発の新たな指針になることが期待される．また，２次元構造化合物のNaAl(Si, Ge)では，高品位な単結晶を用いて種々の低温物性を計測することで，それぞれが特異な基底状態や電子状態を有することが明らかになった．これらは，現在注目されているノーダルライン半金属の電子物性の解明に大きく寄与する成果である．