Anomalous thermoelectric effect derived from strongly correlated electrons

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25420723
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 磯部 雅朗 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点・強相関物質グループ, グループリーダー (10354309)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 新井 正男 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・材料特性理論グループ, 主席研究員 (40222723)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 熱電材料 / 遷移金属化合物 / 強相関電子系 / 磁性 / 計算物理

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、遷移金属化合物を対象として、その強い電子相関に由来する異常に高い熱起電力の起源を調べ、より高性能の新しい熱電材料を設計するための指針を得ることにある。具体的には、課題申請者が合成に成功したコバルト酸化物一次元金属物質(Ca,Na)Co2O4 を取り上げ、電子構造の観点から、その異常熱起電力の原因を探る。良質試料を用いた輸送特性測定、第一原理バンド計算による電子構造の検討を行い、異常熱起電力の起源を明らかにする。

高い熱電性能は、高いゼーベック係数と高い電気伝導率によってもたらされるが、本来、両者は相反する物理量であるため、両立は容易ではない。この問題を打開するには、物質の電子構造に立ち返って熱電特性の発現機構を深く理解すると共に、電子構造の観点から物質設計を行うことが必要である。
コバルト酸化物は、優れた熱電性能を示すことが知られている。その高い熱電性能の起源として、①スピン・軌道縮重残留エントロピー輸送効果や、②プリン型バンド効果などの理論が提唱されている。代表物質としてNaxCoO2などの層状物質が多々取り上げられてきたが、研究対象を他の様々な物質に拡げることも重要である。原理検証や現象解明（物性研究）は多様な物質で行われてこそ、発現機構の一般化が可能となる。近年、研究代表者らが合成発見した新物質CaCo2O4のNa置換体(Ca,Na)Co2O4は、一次元金属として優れた熱電性能を示す。本課題においては、(Ca,Na)Co2O4試料の良質化を行い、それを用いて詳細な物性を調べることで、本系の異常熱起電力の起源解明を図る。
最終年度（延長）であるH28年度は、(Ca,Na)Co2O4良質多結晶試料による輸送特性の追試と解析を中心に行い、より信頼性あるデータを確立した。