Application of electronic structure analysis methods to advanced thermoelectric materials

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K20496
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: HATTORI Yuya 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, NIMSポスドク研究員 (00907975)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: 電子構造 / 熱電物質

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to elucidate the physical origin of the excellent performance index of Sr/Na-doped PbTe, a material with a huge thermoelectric performance with a dimensionless performance index ZT = 2.5, by experimentally determining its electronic structure. By analyzing quantum oscillations observed at low temperatures (1.4 K) and high magnetic fields (14.5 T), it was found that the Fermi surface of this material at low temperatures consists only of hole pockets at the L point. We also show experimentally that the Σ point with a heavy effective mass contributes to the electrical conductivity from high temperatures around T=200 K.

Free Research Field

金属電子論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

熱電発電は熱を電気に変換する発電方式であり、熱電発電を社会的に普及させることは、エネルギー源を多角化するために社会的に重要なテーマとなる。2010年以降巨大な熱電性能指数を示す物質が次々に発見され産業応用が近づいているが、その物理的起源は一般に明らかになっていない。本研究では、電子論的実験手法を利用することで、Sr/NaドープPbTeの電子構造を実験的に明らかにした。この結果、軽いホールと重いホールが共に電気伝導を担う、高い熱電性能を得るために理想的なバンド構造を形成していることが判明した。こうした電子構造の情報を材料開発時の”地図”とすることで、高効率な熱電材料開発が可能になると考えられる。