2023 Fiscal Year Annual Research Report
かご状構造を持つ熱電半導体を用いた新奇なエネルギー散逸機構の発現・制御の検討
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20K05133
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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, 教授 (20314825)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 堅剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (50234216)
小柳 剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90178385)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 熱電変換技術 / カゴ状構造半導体材料 / バンドエンジニアリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電変換材料の特徴は、半導体材料に温度差をつけることで半導体内の電子などキャリアの熱拡散が生じ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにある。この時、熱の流れには、電荷移動を伴わない格子振動による熱伝導と電荷移動を伴うキャリア拡散による熱伝導の２種類がある。熱電変換に寄与するのは後者のみであり、高効率熱電材料の開発としては、如何に後者による熱伝導の比率を高め、それを効率的に電気エネルギーに変換するかの２点が鍵をにぎる。本研究では、如何にキャリア拡散による熱伝導の比率を高めるかを主要なテーマとしている。これまでにこの観点での研究を進め、ゲストイオンの非調和振動による熱放出機構が新たな熱電材料の設計指針として可能性を持つことを明らかにしてきた。
今年度は、キャリア拡散による高性能化にも注目した。つまり、カゴ状構造半導体においてバンド端構造制御の可能性である。タイプ８型クラスレート半導体Ba-Ga-Sn系において、熱起電力の温度特性に強い影響を持つバンドギャップ制御を元素置換により検討した。これにより、単位格子内に8個のBaを持つが、そのうちの1つをNaに置換することで、バンドギャップが2.5倍になる結果を得た。Ba8Ga16Sn30では0.1eVであったバンドギャップがBa7NaGa15Sn31においては、0.25eVとなった。この結果は、わずかな元素置換によりバンドギャップが制御できる可能性を示しており大変興味深い。なお、上記の結果は、通常の密度関数法を用いた。この手法はバンドギャップに対する信頼性が低いため、より信頼性のあるハイブリッド汎関数法でも検証を行ったが、同様の結果を得た。また、この機構を調べるために、Wannier関数を用いた解析を行い、ホスト原子のSnとGaが関与している結果を得た。
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