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IV族クラスレートの内包Naの制御および電子、光物性評価

研究課題

研究課題/領域番号 20K03820
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
研究機関岐阜大学

研究代表者

大橋 史隆  岐阜大学, 工学部, 准教授 (20613087)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード半導体 / クラスレート / 薄膜 / ナトリウム / IV族系材料 / 電子物性 / 光物性
研究開始時の研究の概要

II型IV族クラスレートは、IV族原子(Si、Ge)のsp3結合で形成されるかご状構造を示し、Naなどをかごに内包し、NaxIV136と表される。Naのイオン化により電子が供給されるため、Naの内包量(24 ≧ x ≧ 0)に応じて、金属から半導体へと変化する。NaxIV136は、赤外から可視光領域の直接遷移型のバンドギャップを有することから、光電変換デバイスなどへの応用が期待できる。近年我々のグループでは、実用化に向けて重要な、薄膜合成技術を世界で初めて確立した。本研究では、NaxIV136に含まれるNa量の精密なコントロールと、それによる電子物性・光物性の変化を詳細に調べる。

研究成果の概要

本研究では、IV族系クラスレート膜のNa内包量および分布の制御として膜への電解印加を試みた。膜全体においては、Na内包量の減少を確認したが、局所的なNa内包量の低減についての確認には至らなかった。電極形成については、電極材料としてAgを用いた場合に、比較的安定したオーミック特性を得た。また、Alを電極材料とした場合においては、数桁以上の抵抗値の増加を確認しており、膜表面においてNaとAlの絶縁性化合物の形成を示唆している。電気伝導特性については、長時間の真空熱処理によりNa内包量を低減した試料において、光照射による電流増加を確認した。また、光吸収スペクトルによる基礎吸収端の評価を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

SiまたはGeがフレームワークを構成するII型クラスレートは、計算結果から直接遷移型半導体であり、その合金化によりバンドギャップを1.2 eVから1.8 eVの間で制御できるとされている。これらの特性により毒性の低いIV元素による、高効率太陽電池や発光素子への応用を期待できる。しかしながら、薄膜化が困難であり、半導体の詳細な物性評価およびデバイス化には至っていない。また、合成時に結晶構造中に内包されるアルカリ金属の除去技術の確立が必要不可欠である。本研究では、クラスレートの物性評価およびデバイス化を目的として、内包Naの除去技術、電極材料の選定、適切な電極材料による半導体物性評価を行った。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Optimization of synthesis condition of type II Ge clathrate film2023

    • 著者名/発表者名
      Kumar Rahul、Yamada Kohei、Ohashi Fumitaka、Jha Himanshu Shekhar、Kume Tetsuji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: SD ページ: SD1020-SD1020

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acae2c

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synthesis and optical properties of Ge clathrate films with and without Al doping2023

    • 著者名/発表者名
      Aye Tun Naing、Kawaura Yuto、Kumar Rahul、Ohashi Fumitaka、Jha Himanshu S.、Kume Tetsuji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: SD ページ: SD1018-SD1018

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acade8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A fabrication method for type-II Ge clathrate film by annealing of Ge film covered with Na layer2021

    • 著者名/発表者名
      Kumar Rahul、Hazama Yuta、Ohashi Fumitaka、Jha Himanshu S.、Kume Tetsuji
    • 雑誌名

      Thin Solid Films

      巻: 734 ページ: 138859-138859

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2021.138859

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Growth of Si Clathrate Films with Various Annealing Conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka K.、Kumar R.、Maeda T.、Ohashi F.、Jha H. S.、Kume T.
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics Conference Proceedings

      巻: 8 ページ: 011101-011101

    • DOI

      10.7567/jjapcp.8.011101

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Preparation of Guest Free Type?II Si?Ge Clathrate Using Ionic Liquid Method2020

    • 著者名/発表者名
      Hisamatsu H.、Yamada K.、Ohashi F.、Jha H. S.、Kume T.
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics Conference Proceedings

      巻: 8 ページ: 011302-011302

    • DOI

      10.7567/jjapcp.8.011102

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Electron spin resonance, dynamic Jahn-Teller effect, and electric transport mechanism in Na-doped type II silicon clathrates2020

    • 著者名/発表者名
      Yamaga Mitsuo、Kishita Takumi、Goto Kouhei、Sunaba Shogo、Kume Tetsuji、Ban Takayuki、Himeno Roto、Ohashi Fumitaka、Nonomura Shuichi
    • 雑誌名

      Journal of Physics and Chemistry of Solids

      巻: 140 ページ: 109358-109358

    • DOI

      10.1016/j.jpcs.2020.109358

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Growth of Ge clathrate on sapphire and optical properties2020

    • 著者名/発表者名
      Kumar R.、Maeda T.、Hazama Y.、Ohashi F.、Jha H. S.、Kume T.
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 号: SF ページ: SFFC05-SFFC05

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab6e0a

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 様々なSiGe原子組成比をもつII型SiGe合金クラスレート薄膜の結晶構造および光学特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      新谷 明宏、栗田 詩織、大橋 史隆、Jha Himanshu、Kumar Rahul、久米 徹二
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Thin Film Synthesis and Characterizations of Type II SiGe Alloyed Clathrates2022

    • 著者名/発表者名
      Shiori Kurita, Ryo Noguchi, Rahul Kumar, Tun Naing Aye, Fumitaka Ohashi, Himanshu S. Jha, Tetsuji Kume
    • 学会等名
      nternational Photovoltaic Science and Engineering Conference, PVSEC-33
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical and Electronic Properties of the Type II Ge Clathrate Film and Effects of Si/Al Doping2022

    • 著者名/発表者名
      Rahul Kumar、Shiori Kurita、Tun Naing Aye、Tamio Iida、Hitoe Habuchi、Fumitaka Ohashi、Himanshu S. Jha、Tetsuji Kume
    • 学会等名
      The 83rd JSAP Autumn Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis and Properties of Type II Ge clathrate film on Sapphire Substrate2022

    • 著者名/発表者名
      Tun Naing Aye、Yuto Kawaura、Himanshu S. Jha、Fumitaka Ohashi、Tetsuji Kume
    • 学会等名
      2022年第69回応用物理学会春期学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Synthesis of Type-II Ge Clathrate Films with Various Film Thickness2021

    • 著者名/発表者名
      Rahul Kumar、Tun Naing Aye、Fumitaka Ohashi、Himanshu Shekhar Jha、Tetsuji Kume
    • 学会等名
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] A New Synthesis Technique for type-II Ge Clathrate Film2021

    • 著者名/発表者名
      1.Rahul Kumar, Yuta Hazama, Fumitaka Ohashi1, Himanshu Shekhar Jha, Tetsuji Kume
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Synthesis of ternary type II clathrate films using AlGe alloy2021

    • 著者名/発表者名
      2.Tun Naing Aye, Rahul Kumar, Himanshu Shekhar Jha, Fumitaka Ohashi, Tetsuji Kume
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Na内包II型Geクラスレート膜の新規合成方法2020

    • 著者名/発表者名
      Rahul Kumar, 大橋 史隆, 山田 航平, Himanshu S. Jha, 久米 徹二
    • 学会等名
      第 17 回 「次世代の太陽光発電システム」- 天下統一スタートの地から新たな一歩 -
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Synthesis of type II clathrate film using AlGe alloy2020

    • 著者名/発表者名
      4.Tun Naign Aye, Rahul Kumar, Himanshu, S. Jha, Fumitaka Ohashi, Tetsuji Kume
    • 学会等名
      第 17 回 「次世代の太陽光発電システム」- 天下統一スタートの地から新たな一歩 -
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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