2020 Fiscal Year Research-status Report
Exploration of thermal conductivity switching material with periodic nano-structure transition
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20K21075
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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) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱伝導率 / 構造転移 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、歪んだ2次元構造を取る層状SnSeと、高対称な岩塩型構造を取るPbSeの固溶体(Pb1-xSnx)Seバルク焼結体を合成し、温度に対する結晶構造と電子輸送特性の変化を調べた。(Pb1-xSnx)Seバルク試料は、高温固相反応と急冷処理を組み合わせた非平衡合成プロセスにより作製した。まず、PbSeとSnSe出発原料を目的組成に合わせて混合し、放電プラズマ焼結法(SPS)を利用して密度99%以上のペレット状に成型した。その後、Ar雰囲気下でシリカガラス中に封管し、加熱処理して急冷することで、高温相の(Pb1-xSnx)Se固溶体相を室温で安定化させた。熱処理温度を最適化させることで、(Pb1-xSnx)Se固溶体バルクを作製することに成功した。(Pb1-xSnx)Seバルク試料の室温のX線回折測定から、x = 0.6以上ではSnSe層状構造に由来する回折ピークのみが見られ、x = 0.4以下では、岩塩型構造に帰属される回折ピークのみが見られた。x = 0.5では、岩塩型相と層状構造相の混合体であった。(Pb0.5Sn0.5)Se固溶体のX線回折の温度変化から、室温から低温に向けて岩塩型構造から層状構造へ変化し、可逆的に構造転移することが分かった。このことから、非平衡合成法によって、広い組成範囲で(Pb1-xSnx)Se固溶体を合成でき、x = 0.5で2次元-3次元構造転移を誘起でき、ナノ周期構造をスイッチできることを明らかにした。(Pb1-xSnx)Se固溶体の電気抵抗率の温度変化を系統的に調べたところ、x=0.2以下では金属的な温度依存性を示し、x = 0.6以上では半導体的な温度依存性を示した。x = 0.4と0.5では可逆的な金属-絶縁体転移が見られ、固溶体組成によって相転移温度を制御できた。x=0.5試料では構造転移によって約5桁の電気抵抗変調を示すことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、高密度(Pb1-xSnx)Seバルク焼結体を合成することに成功し、ナノ周期構造を温度でスイッチすることに成功した。2年目には熱伝導率評価とフォノン輸送解析を行う予定であり、計画通りに研究を進めることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に実現した(Pb1-xSnx)Seバルク焼結体について、熱伝導率の温度変化を系統的に評価する。ホール効果測定も行い、熱伝導率に対する電子とフォノンの寄与を別けて、フォノン散乱の機構を解明する。また、第一原理非調和フォノン計算により、(Pb1-xSnx)Seの層状・岩塩型構造のフォノン輸送解析を行う。実験と計算によって得た熱伝導率を比較し、フォノン周波数と平均自由行程・群速度・緩和時間の相関を解析することで、ナノ周期構造における熱輸送を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、予定していた国内会議や国際会議へ出張できなかったことと、放射光施設への出張も制限されたことによって、旅費に残額が生じた。来年度は、オンラインの国内・国際会議で積極的に成果発表する予定である。また、残額は実験消耗品と共通設備利用料に補填し、研究の実施スピードを加速させる。
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[Journal Article] Reversible 3D-2D structural phase transition and giant electronic modulation in non-equilibrium alloy semiconductor, lead-tin-selenide2021
Author(s)
Takayoshi Katase, Yudai Takahashi, Xinyi He, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hideto Yoshida, Shiro Kawachi, Junichi Yamaura, Masato Sasase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Science Adv.
Volume: 7
Pages: eabf2725
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Double charge polarity switching in Sb-doped SnSe with switchable substitution sites2020
Author(s)
Chihiro Yamamoto, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Yosuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Akane Samizo, Makoto Minohara, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Adv. Funct. Mater.
Volume: 31
Pages: 2008092
DOI
Peer Reviewed
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