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2013 Fiscal Year Annual Research Report

新奇な熱電材料設計:ナノサイズ格子の原子配置ランダム化による移動度向上機構の検討

Research Project

Project/Area Number 23560838
Research InstitutionYamaguchi University

Principal Investigator

赤井 光治  山口大学, 大学情報機構, 准教授 (20314825)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岸本 堅剛  山口大学, 理工学研究科, 助教 (50234216)
Keywords熱電材料 / クラスレート半導体 / ランダムポテンシャル
Research Abstract

本研究ではカゴ状構造を持つクラスレート半導体Ba-Ga-Sn系に注目し、その熱電構成能化の検討をホストサイトのランダム性に注目し検討を進めてきた。H25年度はこの系の熱電特性と強い相関を持つGa配置において分布のゆらぎの検討を進めた。
これまでに、このゆらぎの検討はGa間の最近接モデルにより検討行っている。クラスレート半導体ではホストサイトにGa/Snが同程度に近い比率で混在する。一方、Gaイオンは隣接することを嫌い、互いに避け合う傾向を持つ。このため、Ga分布ゆらぎが強く抑制されている可能性を検討したが、ほとんど抑制されていない結果となった。このことに基づき、更にモデルの精度を高めるため、イオンモデルによるクラスレート半導体Ba-Ga-Sn系におけるホスト構造の計算を行った。
まずは、このイオンモデルに必要なパラメータについては、第一原理電子構造計算手法を用い決定した。イオン間の相互作用については、周りのイオンによるスクリーニングの効果を取り入れた誘電率を計算し、それを用いた。短距離相互作用に起因するパラメータは全エネルギーから算出した。構築されたイオンモデルを用い、ホスト構造に対するシミュレーションを行った。計算には熱平衡を仮定したモンテカルロ法を用い、融点付近の温度を平衡温度した。この計算結果からまずは単位格子スケールでGa分布ゆらぎの大きさを見積もったところ、完全なランダム配置の場合や最近接モデルの場合と比べゆらぎが強く抑制され、長距離相互作用がホスト構造に大きく影響を及ぼしていることが明らかになった。更に大きなスケールでは、Ga分布に対する粗視化スケールの長波長極限でゆらぎが消失することを見いだした。このことは、この系の熱電性能の高性能化と強く関連することが期待される。

  • Research Products

    (6 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] First-Principles Study of Electronic Structure and Thermoelectric Properties of Ge-Doped Tin Clathrates2014

    • Author(s)
      K. Akai, K. Kishimoto, T. Koyanagi, Y. Kono, S. Yamamoto
    • Journal Title

      J. Electr. Mater.

      Volume: 43 Pages: 2081-2085

    • DOI

      s11664-013-2963-7

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Snクラスレートの熱電特性に対する原子置換の効果2013

    • Author(s)
      赤井光治、岸本堅剛、小柳剛、河野欣、山本節夫
    • Organizer
      第10回日本熱電学会学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(名古屋市)
    • Year and Date
      20130908-20130909
  • [Presentation] First-principles study of electronic structure and thermoelectric properties on Ge doped Tin clathrates2013

    • Author(s)
      K. Akai, K. Kishimoto, T. Koyanagi, Y. Kono, S. Yamamoto
    • Organizer
      32th international conference on thermoelectrics
    • Place of Presentation
      Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
    • Year and Date
      20130630-20130704
  • [Presentation] Study of alloys effects for electronic structure on Sn-base Clathrates

    • Author(s)
      K. Akai, K. Kishimoto, Y. Kono, S. Yamamoto and S. Shimamura
    • Organizer
      8th ACCMS-VO
    • Place of Presentation
      Tohoku Univ., Sendai, Japan
  • [Presentation] Study of Host-atoms Substitution Effects for Electronic Structure and Thermoelectric Properties on Sn-based Clathrates

    • Author(s)
      K. Akai, K. Kishimoto, T. Koyanagi, Y. Kono, S. Yamamoto
    • Organizer
      11th Europen Conf. on Thermoelectrics
    • Place of Presentation
      ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
  • [Presentation] イオンモデルによるS n クラスレート半導体Ba8Ga16Sn30におけるGa分布ゆらぎの解析

    • Author(s)
      松本浩一,赤井光治,岸本堅剛,栗巣普輝,小柳剛,山本節夫
    • Organizer
      第61 回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      青山学院大学(神奈川県相模原市)

URL: 

Published: 2015-05-28  

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