熱電材料開発に資するSiクラスレートの電子状態とラトリングの光電子分光による解明

• 研究課題/領域番号: 21K04869
• 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29010:応用物性関連
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 今田 真 立命館大学, 理工学部, 教授 (90240837)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 電子状態 / キャリアドーピング / クラスレート / 籠状化合物 / シリコンクラスレート / Siクラスレート

研究開始時の研究の概要

アルカリ・アルカリ土類元素(M)内包Siクラスレートは、熱電材料としての応用が期待されている。
フェルミ準位近傍のバンド分散は、熱電特性のために重要な電気伝導率とn型/p型電気伝導を支配する基礎的知見で、内包元素Mに依存するとともに、SiをGaで一部置換するなどしてケージ元素のp電子数を変化させることによっても制御できる可能性がある。本研究では価電子帯光電子分光を用いてこれを検証し、理論予測との比較を通して電子状態発現のメカニズムを定量的に解明する。さらに、Na内包クラスレートのNa内殻光電子スペクトルの多ピーク構造と内含原子のラトリングの関連についても解明する。

研究成果の概要

アルカリまたはアルカリ土類をケージ内に有するSi系クラスレート化合物において、そのバンド構造およびケージ内原子の電子状態に焦点を当てるとともに、ケージ内原子のラトリングと電子状態や内殻スペクトルとの関係性を議論した。ケージ構造の異なるI型とII型でともにケージ内にNaを持つ系において、大局的な価電子帯電子構造がバンド計算でよく説明できること、つまり電子相関による影響は小さいことがわかった。また、タイプII系のNaのうち16面体ケージ中のNaのみをBaに置き換えた系についての電子状態変化を解明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

純良な単結晶について多数のSiクラスレートおよびその周辺の系のバルク電子状態を始めて解明することに成功した。この系は熱電材料としての応用が期待されている化合物と強く関連するので、本研究の知見は熱電材料の開発に役立つと期待している。まず、Na原子が価電子帯に放出するキャリアの電子状態が実験およびバンド計算を通して解明されたこと、さらにNa原子の一部をBa原子で置換し電子ドープ量を増やしたことによる電子状態変化も定量的に明らかになったことは、応用上だけでなく基礎科学的知見からも重要である。

研究成果

• [雑誌論文] Bulk superconductivity in Pb-substituted BiS2-based compounds studied by hard x-ray spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamasaki A.、Oguni T.、Hayashida T.、Miyazaki K.、Tanaka N.、Nakagawa K.、Tamura K.、Mimura K.、Kawamura N.、Fujiwara H.、Nozue G.、Ose A.、Kanai-Nakata Y.、Higashiya A.、Hamamoto S.、Tamasaku K.、Yabashi M.、Ishikawa T.、Imada S.、Sekiyama A.、Sakata H.、Demura S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.045131
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of the ground-state 4 f symmetry for anisotropic c f hybridization in the heavy-fermion superconductor CeNi2Ge2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara H.、Nakatani Y.、Aratani H.、Kanai-Nakata Y.、Yamagami K.、Hamamoto S.、Kiss T.、Yamasaki A.、Higashiya A.、Imada S.、Tanaka A.、Tamasaku K.、Yabashi M.、Ishikawa T.、Yasui A.、Yamagami H.、Miyawaki J.、Miyake A.、Ebihara T.、Saitoh Y.、Sekiyama A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.165121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic magnetization and electronic structure of the first-order ferrimagnet ErCo2 studied by polarization dependent hard X-ray photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Abozeed Amina A.、Gorbunov Denis I.、Kadono Toshiharu、Kanai-Nakata Yuina、Yamagami Kohei、Fujiwara Hidenori、Sekiyama Akira、Higashiya Atsushi、Yamasaki Atsushi、Tamasaku Kenji、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Wada Hirofumi、Andreev Alexander V.、Imada Shin
  • 雑誌名: Physica B: Condensed Matter 巻: 649 ページ: 414465-414465
  • DOI: 10.1016/j.physb.2022.414465
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 硬X線光電子分光を用いたタイプII-クラスレートの電子状態の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 陳昱辰, 島田祐希, 臼井大智, 宮崎徹也, 浅井祥太, 島本将徳, 野末悟郎, 尾瀬朱音, 橋爪快人, 堤美和, 村上友梨, 田中菜摘, 中田惟奈, 藤原秀紀, 濱本諭, 東谷篤志, 山崎篤志, 関山明, 森戸春彦, 今田真
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Electronic States of type-II Na-Ba-Si Clathrate Studied by Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Chen, Y. Shimada, T. Usui, T. Miyazaki, S. Asai, M. Shimamoto, G. Nozue, A. Ose, H. Hashizume, M. Tsutsumi, K. Miyazaki, Y. Murakami, N. Tanaka, Y. Kanai-Nakata, H. Fujiwara, S. Hamamoto, A. Higashiya, A. Yamasaki, A. Sekiyama, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, H. Morito, S. Imada
  • 学会等名: The 9th International Conference on Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • 国際学会