硫化銅鉱テトラへドライトの格子・電子物性の解明と高性能熱電変換鉱物の創製

• 研究課題/領域番号: 26820296
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 九州大学 (2016); 広島大学 (2014-2015)
• 研究代表者: 末國 晃一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10582926)
• 研究協力者: 高畠 敏郎 広島大学 ; 梅尾 和則 広島大学 ; 太田 道広 産業技術総合研究所 ; 西掘 英治 筑波大学 ; 李 哲虎 産業技術総合研究所 ; 鈴木 孝至 広島大学 ; 石井 勲 広島大学 ; 藤 秀樹 神戸大学 ; 佐藤 仁 広島大学 ; 黒木 和彦 大阪大学 ; 臼井 秀知 大阪大学
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2014年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 熱電変換材料 / 硫化銅鉱物 / テトラヘドライト / コルーサイト / チオスピネル / ラットリング / 金属ー半導体転移 / 熱電変換 / 熱電物性 / 相転移 / テトラへドライト

研究成果の概要

銅ベースの鉱物であるテトラヘドライトは，その高い熱電変換性能，ガラス並みに低い熱伝導率，および金属―半導体転移のために，高い関心を集めている。本研究では，テトラヘドライトの輸送・熱特性と結晶・フォノン構造を調べた。その結果，銅原子の低エネルギーで非調和な振動（ラットリング）がガラス的な熱伝導率と相転移の発現に関係していると判った。また，テトラヘドライトの熱電性能を銅のゲルマニウムおよびスズ置換により高めた。
また，新規な熱電鉱物の探索を行った。銅をベースにした鉱物と鉱物関連物質のコルーサイトとチオスピネルがそれぞれ660 Kにおいて高い熱電変換性能を示すことを見出した。

研究成果

• [雑誌論文] Effects of Ge and Sn substitution on the metal-semiconductor transition and thermoelectric properties of Cu12Sb4S13 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Kosaka, Koichiro Suekuni, Katsuaki Hashikuni, Yohan Bouyrie, Michihiro Ohta, Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 19 号: 13 ページ: 8874-8879
  • DOI: 10.1039/c7cp00351j
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Tuning the Charge Carrier Density in the Thermoelectric Colusite (2016)
  • 著者名/発表者名: Fiseong S. KIM, Koichiro SUEKUNI, Hirotaka NISHIATE, Michihiro OHTA, Hiromi I. TANAKA, Toshiro TAKABATAKE
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 119 号: 17
  • DOI: 10.1063/1.4948475
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Research Update: Cu-S based synthetic minerals as efficient thermoelectric materials at medium temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni, Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: APL materials 巻: 4 号: 10
  • DOI: 10.1063/1.4955398
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High power factor in thiospinels Cu2TrTi3S8 (Tr= Mn, Fe, Co, Ni) arising from TiS6 octahedron network (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Hashikuni, Koichiro Suekuni, Hidetomo Usui, Michihiro Ohta, Kazuhiko Kuroki, Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 号: 18
  • DOI: 10.1063/1.4966955
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Metal-semiconductor transition concomitant with a structural transformation in tetrahedrite Cu12Sb4S13 (2016)
  • 著者名/発表者名: H. I. Tanaka, K. Suekuni, K. Umeo, T. Nagasaki, H. Sato, G. Kutluk, E. Nishibori, H. Kasai, T. Takabatake
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 85 号: 1 ページ: 014703-014703
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.014703
  • NAID: 210000133804
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 硫化銅鉱物系熱電変換材料の高性能化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎
  • 雑誌名: 金属 巻: 86 ページ: 4-9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Glasslike versus Crystalline Thermophysical Properties of the Cu-S based Minerals: Tetrahedrite and Colusite (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni, Hiromi I. Tanaka, Fiseong S. Kim, Kazunori Umeo, Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 84 号: 10 ページ: 103601-103601
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.103601
  • NAID: 210000133691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Elastic Softening in the Tetrahedrite Cu12Sb4S13 (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Suzuki, Hiroki Goto, Isao Ishii, Yoshihito Noguchi, Shuhei Kamikawa, Koichiro Suekuni, Hiromi I. Tanaka, Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: Physics Procedia 巻: Volume 75 ページ: 443-446
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2015.12.054
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 熱電変換材料として魅力的な人工硫化銅鉱物とそれを用いた発電モジュールの開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎 高畠敏郎 太田道広 山本 淳
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 54 号: 7 ページ: 335-338
  • DOI: 10.2320/materia.54.335
  • NAID: 130005084669
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tunable electronic properties and low thermal conductivity in synthetic colusites Cu26-xZnxV2M6S32 (x ≦ 4, M = Ge, Sn) (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suekuni, F. S. Kim, and T. Takabatake
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 116 号: 6
  • DOI: 10.1063/1.4892593
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-performance thermoelectric minerals: Colusites Cu26V2M6S32 (M=Ge, Sn) (2014)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni, Fiseong S. Kim, Hirotaka Nishiate, Michihiro Ohta, Hiromi I. Tanaka, and Toshiro Takabatake
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 105 号: 13
  • DOI: 10.1063/1.4896998
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] テトラヘドライトCu12-xMxSb4S13(M=Ge,Sn, x≦0.6)の金属－半導体転移と熱電物性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小坂康文, 末國晃一郎, 高畠敏郎, 太田道広
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学，豊中区
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] テトラヘドライトCu12Sb4S13における金属 半導体転移に関するNMRによる研究III (2017)
  • 著者名/発表者名: 松井隆志, 松野治貴, 小手川恒, 藤秀樹, 田中博己, 末國晃一郎, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学，豊中区
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] High-performance Thermoelectricity in Synthetic Minerals Based on Copper and Sulfur (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni
  • 学会等名: The Third Joint Symposium of Kyushu University and Yonsei University (SKY-3)
  • 発表場所: 九州大学，春日市
  • 年月日: 2017-02-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 硫化銅鉱物をベースにした新しい熱電変換材料 (2016)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎
  • 学会等名: 第27回新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
  • 発表場所: 日本大学，千代田区
  • 年月日: 2016-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] Cu-S based synthetic minerals promising as medium-high temperature thermoelectric materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Suekuni Koichiro, Takabatake Toshiro, Ohta Michihiro
  • 学会等名: 14th European Conference on Thermoelectrics (ECT2016)
  • 発表場所: Lisbon, Portugal
  • 年月日: 2016-09-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] N型チオスピネルCu2MTi3S8 (M = Mn, Fe, Co, Ni)の熱電物性と電子構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 橋國克明, 末國 晃一郎, 高畠敏郎, 西当弘隆, 太田道広, 臼井秀和, 黒木和彦
  • 学会等名: 第13回日本熱電学会学術講演会(TSJ2016)
  • 発表場所: 東京理科大学，葛飾区
  • 年月日: 2016-09-05
• [学会発表] コルーサイトCu26V2Sn6S32の熱電物性に対するSe置換効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎, Bouyrie Yohan, 西当弘隆, 太田道広, 高畠敏郎
  • 学会等名: 第13回日本熱電学会学術講演会(TSJ2016)
  • 発表場所: 東京理科大学，葛飾区
  • 年月日: 2016-09-05
• [学会発表] 環境にやさしい熱電発電を実現する人工硫化銅鉱物 (2016)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎
  • 学会等名: 第6回九州若手セラミックフォーラム(KYCF-6)
  • 発表場所: ルートイングランティア太宰府，大宰府
  • 年月日: 2016-08-26
  • 招待講演
• [学会発表] 人工硫化銅鉱物の熱電物性とラットリング誘起相転移 (2016)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎
  • 学会等名: 第57回化合物新磁性材料専門研究会
  • 発表場所: 東京大学，文京区
  • 年月日: 2016-06-15
  • 招待講演
• [学会発表] Cu-S based synthetic minerals: environmentally benign thermoelectric materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Suekuni, Toshiro Takabatake, Michihiro Ohta
  • 学会等名: The 35th International Conference on Thermoelectrics (ICT2016)
  • 発表場所: Wuhan, China
  • 年月日: 2016-05-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cu2MTi3S8 (M = Mn, Fe, Co, Ni) thiospinels: environmentally benign n-type thermoelectric materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Hashikuni, Koichiro Suekuni, Hirotaka Nishiate, Michihiro Ohta, Toshiro Takabatake
  • 学会等名: The 35th International Conference on Thermoelectrics (ICT2016)
  • 発表場所: Wuhan, China
  • 年月日: 2016-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] 光電子分光・吸収分光による硫化銅鉱物Cu12Sb4S13の金属半導体転移の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長崎俊樹, 佐藤仁, 田中博己, 末國晃一郎, Awabaikeli Rousuli, 中村将吾, 仲武昌史, Galif Kutluk, 沢田正博, 三村功次郎, 安斎太陽, 市木勝也, 上田茂典, 島田賢也, 高畠敏郎, 生天目博文, 谷口雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会 21aBN-1
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Cu 2p-1s X線発光分光による硫化銅鉱物Cu12Sb4S13の金属半導体転移の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐藤仁, 長崎俊樹, 田中博己, 末國晃一郎, Awabaikeli Rousuli, 中村将吾, 河村直己, 鄭旭光, 藤井武則, 高畠敏郎, 生天目博文, 谷口雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会 21pPSA-10
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] テトラヘドライトCu12Sb4S13における金属 半導体転移に関するNMRによる研究II (2016)
  • 著者名/発表者名: 松井隆志, 松野治貴, 小手川恒, 藤秀樹, 田中博己, 末國晃一郎, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会 21aBN-2
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] NMR/NQRからみるCu10Zn2Sb4S13におけるラットリングの周波数依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松野治貴, 松井隆志, 岸本恭来, 久保徹郎, 小手川恒, 藤秀樹, 田中博己, 末國晃一郎, 高畠敏郎, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会 21aBN-4
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] テトラへドライトCu12-xAgxSb4S13(x≦1)における構造相転移 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小坂康文, 末永拓磨, 田中博己, 末國晃一郎, 梅尾和則, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会 21aBN-3
  • 発表場所: 東北学院大学 泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 硫化銅鉱物Cu12M4S13 (M = Sb, As) のソフトフォノンモードと構造相転移 (2015)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎，田中博己，李哲虎，中村充孝，河村聖子，菊池龍弥，金子耕士，長谷川巧，西堀英治，笠井秀隆，小坂康文，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 16pCD-12
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 硫化銅鉱物Cu10Zn2M4S13 (M = Sb, As) におけるCuのラットリングとフォノン構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中博己，末國晃一郎，李哲虎，中村充孝，河村聖子，菊池龍弥，金子耕士，長谷川巧，西堀英治，笠井秀隆，小坂康文，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 16pCD-13
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] テトラヘドライトCu10Zn2Sb4S13のNMR/NQRによる研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松野治貴, 松井隆志, 小手川恒, 藤秀樹, 田中博己, 末國晃一郎, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 16pCD-10
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] テトラヘドライトCu12Sb4S13における金属-半導体転移に関するNMRによる研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松井隆志, 松野治貴, 小手川恒, 藤秀樹, 田中博己, 末國晃一郎, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 19aPS-93
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 光電子分光・吸収分光によるCu12Sb4S13の電子状態の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長崎俊樹, 佐藤仁, 田中博己, 末國晃一郎, A. Rousuli, 仲武昌史, G. Kutluk, 沢田正博, 高畠敏郎, 生天目博文, 谷口雅樹
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 19aPS-94
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Cu12Sb4S13におけるフォノン分散の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長谷川巧, 末國晃一郎, 田中博己, 高畠敏郎, 荻田典男, 宇田川眞行
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会 16pCD-11
  • 発表場所: 関西大学 千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 硫化鉱物コルーサイトCu26V2Sn6S32のキャリア密度制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 金輝成，末國晃一郎，田中博己，高畠敏郎, 西当弘隆，太田道広
  • 学会等名: 第12回日本熱電学会学術講演会 (TSJ 2015) S3B-1
  • 発表場所: 九州大学 筑紫地区
  • 年月日: 2015-09-07
• [学会発表] Phonon‐glass behavior in thermoelectric tetrahedrite (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Takabatake, K. Suekuni, T. I. Tanaka, K. Umeo, F. S. Kim
  • 学会等名: 34th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT 2015) 10B.2
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-06-28
  • 国際学会
• [学会発表] Synthetic colusite Cu26V2Sn6S32: high‐performance thermoelectric mineral (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Suekuni, F. S. Kim, H. Nishiate, M. Ohta, H. I. Tanaka, T. Takabatake
  • 学会等名: 34th Annual International Conference on Thermoelectrics (ICT 2015) 17B.2
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-06-28
  • 国際学会
• [学会発表] テトラへドライトCu12Sb4S13の金属－半導体転移に対するAs置換効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中博己，末國晃一郎，梅尾和則，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] テトラヘドライトCu12-xTrxSb4S13 (Tr =Ni, Zn)における弾性ソフト化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 後藤弘季，石井勲，野口慈仁，上川修平，藤田貴弘，末國晃一郎，田中博巳，金輝成，高畠敏郎，鈴木孝至
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Cu10Zn2Sb4S13におけるCu-NMR/NQR (2015)
  • 著者名/発表者名: 松野治貴，松井隆志，小手川恒，藤秀樹，田中博己，末國晃一郎，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 硫化鉱物コルーサイトCu26V2M6S32 (M=Ge,Sn)の熱電物性とバンド構造 (2014)
  • 著者名/発表者名: 末國晃一郎，金輝成，高畠敏郎
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会(TSJ2014)
  • 発表場所: 物質・材料研究機構千現地区
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] 硫化鉱物コルーサイトCu26-xZnxV2M6S32 (M = Ge, Sn)の 高い熱電変換性能 (2014)
  • 著者名/発表者名: 金輝成, 末國晃一郎, 西当弘隆, 太田道広, 田中博己, 高畠敏郎
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会(TSJ2014)
  • 発表場所: 物質・材料研究機構千現地区
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] 硫化鉱物テトラヘドライトCu12-xTrxSb4S13の電子構造とフォノン物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中博己，末國晃一郎，西当弘隆，太田道広，梅尾和則，金輝成，高畠敏郎
  • 学会等名: 第11回日本熱電学会学術講演会(TSJ2014)
  • 発表場所: 物質・材料研究機構千現地区
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [学会発表] 硫化銅鉱物テトラヘドライトCu10Zn2Sb4S13におけるCu原子の低エネルギー振動とガラス的熱伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中博己，末國晃一郎，梅尾和則，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学春日井キャンパス
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] テトラヘドライトCu12Sb4S13における弾性ソフト化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 鈴木孝至，後藤弘季，石井勲，上川修平，野口慈仁，藤田貴弘，末國晃一郎，田中博己，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学春日井キャンパス
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Carrier Doping Effect on the Thermoelectric Properties of Synthetic Colusites (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suekuni, F. S. Kim, H. I. Tanaka, M. Ohta, A. Yamamoto, and T. Takabatake
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Thermoelectrics (ICT2014)
  • 発表場所: Nashville, Tennessee, USA
  • 年月日: 2014-07-06 – 2014-07-10
• [産業財産権] 熱電変換素子とその製造方法、及び熱電発電モジュールとペルチェ冷却モジュール (2015)
  • 発明者名: 太田道広，山本淳，相原誠，末國晃一郎，高畠敏郎
  • 権利者名: 太田道広，山本淳，相原誠，末國晃一郎，高畠敏郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-06-24
• [産業財産権] 熱電変換材料、およびそれを用いた熱電発電素子、ペルチェ冷却用素子 (2014)
  • 発明者名: 末國晃一郎、高畠敏郎、太田道広
  • 権利者名: 末國晃一郎、高畠敏郎、太田道広
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-159776
  • 出願年月日: 2014-08-05