バンド形状エンジニアリングによる高出力・ 高効率層状熱電物質の理論設計

• 研究課題/領域番号: 17K14108
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 応用物性
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 臼井 秀知 大阪大学, 理学研究科, 招へい研究員 (10722902)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2018年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 熱電効果 / 第一原理計算 / バンド構造 / 物性理論 / 再生可能エネルギー / 廃熱利用

研究成果の概要

熱電効果の性能向上を目標として、電子が伝導する際に重要となるエネルギーバンドを制御する、バンド形状エンジニアリングによる理論的研究を行った。結果として、LaOBiS2と呼ばれる既存の熱電物質の元素置換を仮想的に行ったLaOAsSe2において、変換効率に相関する無次元性能指数2という非常に大きな値が期待できることが判明した。また、Zintl相化合物、PtCoO2、BiCuSeO系についても研究を行い、高性能の起源と新規物質の提案を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

熱電効果の性能向上を目指した研究で、エネルギーバンドと呼ばれる電子状態を示す構造の形状を変化させることで高性能化を目指すという研究はこれまでほとんどなかった。本研究では、元素置換によりバンド構造の形状を制御できることを示し、仮想物質ではあるが、大きな熱電性能を生み出しうる物質を理論的に発見することが出来た。本研究により熱電物質開発の新しい指針を提案できたことから、既存の指針と組み合わせることで高性能物質開発の幅が広がることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Hidden kagome-lattice picture and origin of high conductivity in delafossite PtCoO2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Usui Hidetomo、Ochi Masayuki、Kitamura Sota、Oka Takashi、Ogura Daisuke、Rosner Helge、Haverkort Maurits W.、Sunko Veronika、King Philip D. C.、Mackenzie Andrew P.、Kuroki Kazuhiko
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.045002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of (Ba,K)Cd2As2 crystallized in the CaAl2Si2-type structure (2018)
  • 著者名/発表者名: Kunioka H.、Kihou K.、Nishiate H.、Yamamoto A.、Usui H.、Kuroki K.、Lee C. H.
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 47 号: 45 ページ: 16205-16210
  • DOI: 10.1039/c8dt02955e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Retreat from Stress: Rattling in a Planar Coordination (2018)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni, Chul Ho Lee, Hiromi I. Tanaka, Eiji Nishibori, Atsushi Nakamura, Hidetaka Kasai, Hidetomo Usui, Masayuki Ochi, Takumi Hasegawa, Mitsutaka Nakamura, Seiko Ohira‐Kawamura, Tatsuya Kikuchi, Koji Kaneko, Hirotaka Nishiate, Katsuaki Hashikuni, Yasufumi Kosaka, Kazuhiko Kuroki, Toshiro Takabatake, 他1名
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 30 号: 13 ページ: 1706230-1706230
  • DOI: 10.1002/adma.201706230
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced power factor and reduced Lorenz number in the Wiedemann?Franz law due to pudding mold type band structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Hidetomo Usui, Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 号: 16 ページ: 165101-165101
  • DOI: 10.1063/1.4981890
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of the High Thermoelectric Performance of Pnictogen Dichalcogenide Layered Compounds with Quasi-One-Dimensional Gapped Dirac-like Band Dispersion (2017)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ochi, Hidetomo Usui, Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 8 号: 6 ページ: 064020-064020
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.8.064020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temperature-and doping-dependent roles of valleys in the thermoelectric performance of SnSe: A first-principles study (2017)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Mori, Hidetomo Usui, Masayuki Ochi, Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 8 ページ: 085113-085113
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.085113
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observation of double valence-band extrema and anisotropic effective masses of the thermoelectric material SnSe (2017)
  • 著者名/発表者名: Takanobu Nagayama, Kensei Terashima, Takanori Wakita, Hirokazu Fujiwara, Tetsushi Fukura, Yuko Yano, Kanta Ono, Hiroshi Kumigashira, Osamu Ogiso, Aichi Yamashita, Yoshihiko Takano, Hitoshi Mori, Hidetomo Usui, Masayuki Ochi, Kazuhiko Kuroki, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 1 ページ: 010301-010301
  • DOI: 10.7567/jjap.57.010301
  • NAID: 210000148501
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] First principles study on the thermoelectric properties of delafossite compounds (2019)
  • 著者名/発表者名: Hidetomo Usui、Kazuhiko Kuroki
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] High thermoelectric properties of As-based 122-Zintl compounds Ba1-xKxCd2As2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Haruno Kunioka、Kunihiro Kihou、Hirotaka Nishiate、Hidetomo Usui、Kazuhiko Kuroki、Chul-Ho Lee、Atsushi Yamamoto、Tsutomu Iida、Haruhiko Obara
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] First principles study on the thermoelectric properties of 122 Zintl phase compounds (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidetomo Usui、Kazuhiko Kuroki
  • 学会等名: 37th International Conference on Thermoelectrics
  • 国際学会
• [学会発表] High thermoelectric properties of As-based 122-Zintl coupounds Ba1-xKxCd2As2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Haruno Kunioka、Kunihiro Kihou、Hirotaka Nishiate、Hidetomo Usui、Kazuhiko Kuroki、Chul-Ho Lee、Atsushi Yamamoto、Tsutomu Iida、Haruhiko Obara
  • 学会等名: 37th International Conference on Thermoelectrics
  • 国際学会
• [学会発表] (Ba,K)Cd2As2 の熱電特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 國岡春乃、 木方邦広、西当弘隆、臼井秀知、黒木和彦、李哲虎
  • 学会等名: 第15回日本熱電学会学術講演会
• [学会発表] RZnAsOの電力因子の第一原理による解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 徳永雄斗、臼井秀知、黒木和彦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 特異なバンド構造が生み出す大きな熱電性能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 臼井秀知
  • 学会等名: 日本磁気学会第 217 回研究会「シン・熱電変換材料」
  • 招待講演
• [学会発表] 122 系 Zintl 相化合物における熱電性能の第一原理計算による解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 臼井秀知、黒木和彦
  • 学会等名: 第 65 回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 第一原理計算による三元系カルコゲナイドの熱電特性の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森仁志、越智正之、臼井秀知、黒木和彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第 73 回年次大会
• [学会発表] 複合アニオン化合物における低次元的電子状態を利用した高機能物性の理論設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 越智正之、小倉大典、水野竜太、松本花梨、森仁志、加藤大智、臼井秀知、青木 秀夫、黒木和彦
  • 学会等名: 新学術領域「複合アニオン化合物の創製と新機能」第3回公開シンポジウム
• [学会発表] First principles study and model analysis on thermoelectrics and superconductivity in layered Bi(S,Se)2-based compounds (2017)
  • 著者名/発表者名: Hidetomo Usui
  • 学会等名: Study of Matter at Extreme Conditions 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of Band Shape on the Lorenz Number and Thermoelectric Properties (2017)
  • 著者名/発表者名: Hidetomo Usui、Kazuhiko Kuroki
  • 学会等名: The 36th International Conference on Thermoelectrics
  • 国際学会
• [学会発表] BiS2系層状化合物の熱電性能に関する第一原理的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越智正之、臼井秀知、黒木和彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 第一原理マテリアルデザインに基づく BiCh2系層状化合物における熱電性能向上の可能性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越智正之、臼井秀知、黒木和彦
  • 学会等名: 第14回 日本熱電学会学術講演会
• [学会発表] カルコゲナイド系物質に隠れた擬1次元的な電子状態と熱電効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 臼井秀知
  • 学会等名: 日本熱電学会第22回研究会
  • 招待講演