2021 Fiscal Year Annual Research 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 |
昨年度に層状SnSeと岩塩型PbSeの固溶体(Pb1-xSnx)Seの高密度バルク焼結体を合成し、相境界組成に調整した(Pb0.5Sn0.5)Seが温度変化によって2D層状構造から3D岩塩型構造へ可逆的に構造転移し、ナノ周期構造を変調させることに成功した。今年度は、(Pb0.5Sn0.5)Seバルク焼結体の熱伝導率の温度変化を系統的に評価した。作製直後の試料を室温から350℃に昇温すると2D構造から3D構造へ変化し、熱伝導率が3.3倍に増加した。一方、高温から100℃以下の低温に冷却すると3D構造から2D構造へ変化し、熱伝導率が急激に減少して熱伝導率を可逆的に変調させることに成功した。構造転移に伴う熱伝導率変化の起源を解明するために、電子による熱伝導率（κele.）と格子振動による熱伝導率（κlat.）の温度変化をそれぞれ調べた。昇温による2D構造から3D構造への転移により、半導体の電子構造からバンドギャップの潰れた金属の電子構造へ変化することで、電気伝導度とκele.が6桁も変化することが分かった。昇温時の2D構造相と降温時の3D構造相について100℃ におけるκlat.を比べたところ、2D構造相のκlat.が1/3になっていることが分かった。第一原理フォノン計算から2D構造の層構造が強くフォノンを散乱するため、3D構造から2D構造へ変化する際にκlat.が大きく減少したことを明らかにした。以上のことから、(Pb0.5Sn0.5)Se固溶体の2D－3D構造転移によって、κele.とκlat.を同時に大きく変化させることができ、大きな熱伝導率変化が実現されたことが分かった。本研究成果はAdvanced Electronic Materials誌に出版され、日経産業新聞等で報道された。
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[Journal Article] Design, Synthesis, and Optoelectronic Properties of the High-Purity Phase in Layered AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) Semiconductors2022
Author(s)
Akihiro Shiraishi, Shigeru Kimura, Xinyi He, Naoto Watanabe, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Makoto Minohara, Kosuke Matsuzaki, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 61
Pages: 6650-6659
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Electronic and Lattice Thermal Conductivity Switching by 3D-2D Crystal Structure Transition in Nonequilibrium (Pb1-xSnx)Se2022
Author(s)
Y. Nishimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Suguru Kitani, Kota Hanzawa, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hitoshi Kawaji, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Adv. Electron. Mater.
Volume: 0
Pages: 2200024
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Large phonon drag thermopower boosted by massive electrons and phonon leaking in LaAlO3/LaNiO3/LaAlO3 heterostructure2021
Author(s)
Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Nano Lett.
Volume: 21
Pages: 9240-9246
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Breaking of thermopower - conductivity trade-off in LaTiO3 film around Mott insulator to metal transition2021
Author(s)
Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Takaki Onozato, Keisuke Ide, Bin Feng, Tetsuya Tohei, Hidenori Hiramatsu, Hiromichi Ohta, Yuichi Ikuhara, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
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Journal Title
Adv. Sci.
Volume: 8
Pages: 202102097
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] 3D-2D structural phase transition and giant electronic conductivity modulation in non-equilibrium hetero-structural alloy, (Pb1-xSnx)Se2021
Author(s)
Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hideto Yoshida, Shiro Kawachi, Junichi Yamaura, Masato Sasase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Two-dimensional layered semiconductors AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf); high-purity bulk synthesis and electronic property characterization2021
Author(s)
Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
2021 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
Int'l Joint Research
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[Presentation] Appearance and large enhancement of phonon drag thermopower by epitaxial strain and phonon leaking from LaAlO3 in LaNiO32021
Author(s)
Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
Organizer
Materials Research Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic structures and electronic properties of 2-dimensional layered semiconductors, AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf)2021
Author(s)
Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
Organizer
The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
Int'l Joint Research
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