室温高圧合成法によるカルコパイライト型化合物の構造と熱電特性の制御

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05548
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 小菅 厚子 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (30379143)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: カルコパイライト / 熱電特性 / 結晶構造 / 室温高圧合成

研究実績の概要

本年度は、室温高圧合成の合成条件が構造と電子状態に与える影響を解明するために、第一原理計算と実験を行った。
具体的には、
（１）室温高圧合成により形成されると予測される構造を実験結果を基にモデリングした。結晶構造解析からは、カルコパイライト構造のカチオン原子が入れ替わった構造が室温高圧合成により生じている可能性が高いことがわかったことから、カチオンサイトの入れ替わりの度合いと配置が異なる複数の構造をモデリングした。第一原理計算を基にした形成エネルギーを比較することで、どの構造が形成されやすいかを考察した。その結果、室温高圧合成により生じている構造が、圧力誘起構造相転移により生じた高圧相ではなく、圧力という外的なエネルギーを加える事で生じた準安定構造であると解釈した方が、形成エネルギーの結果が上手く説明できることがわかった。

（２）また、（１）の構造モデルを基に、電子状態計算を行い、室温高圧合成により試料に与えられると予測される変化について考察した。その結果、構成元素の軌道の位置に変化が生じ、価電子帯と伝導帯の位置が変化し、バンドギャップの減少が生じることが予測された。この結果により、実験的に得られた結果の一部が説明できることがわかった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初予定していた研究計画である、試料の作製条件と電子状態の関係を明らかにすることができたため。また、本課題の研究成果として、以下の①の賞、本課題の研究からスピンオフした成果として、以下の②③の賞を受けた事も大きな成果である。
①The ITS(International Thermoelectric Society) Outstanding Poster Award (2016年6月)“Structure and thermoelectric transport analysis of defect containing CuGaTe2 prepared by room-temperature high-pressure synthesis”, Yosuke　Fujii, Hiroki Funashima, Hiroshi Yoshida-Katayama, Ikuya Yamada, Atsuko Kosuga.
②日本金属学会2016年秋期（第159回）講演大会優秀ポスター賞 (2016年9月), "Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価", 大本達朗, 久保田佳基, 山田幾也, 小菅厚子, 日本金属学会2016年秋季（第159回）講演大会.
③第１３回日本熱電学会(TSJ2016)講演奨励賞 (2016年9月), “Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価", 大本達朗、久保田佳基、山田幾也、小菅厚子、第１３回日本熱電学会(TSJ2016).

今後の研究の推進方策

今年度得られた知見を、構成元素の異なるカルコパイライト構造材料や、再度同一のカルコパイライト構造材料にフィードバックし、熱電特性の改善を試みる。またモジュール化に必要な要素技術についても研究を詰める。最終的には1対のプロトタイプモジュールを作製できるような試料の開発を目指す。

備考

大阪府立大学
大学院理学系研究科物理科学専攻　小菅研究室
http://www.p.s.osakafu-u.ac.jp/～a-kosuga/

研究成果

• [雑誌論文] Effect of the crystal structure on the electronic structure and electrical properties of thermoelectric GeSb6Te10 prepared by hot pressing (2017)
  • 著者名/発表者名: Wanatchaporn Namhongsa, Tatsuro Omoto, Yosuke Fujii, Tosawat Seetawan, and Atsuko Kosuga
  • 雑誌名: Scripta Mater. 巻: 133 ページ: 96-100
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.02.013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Potential of GeSbTe phase change materials for thermoelectric applications (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsuko Kosuga, Hiroki Ishibashi, Yoshiki Kubota, and Kouichi Kifune
  • 雑誌名: Proceedings of the 28th Symposium on Phase Change Oriented Science PCOS2016 巻: なし ページ: 37-40
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of nanoscale precipitates for enhancement of thermoelectric properties of heavily P-doped Si-Ge alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: Aikebaier Yusufu, Ken Kurosaki, Yoshinobu Miyazaki, Manabu Ishimaru, Atsuko Kosuga, Yuji Ohishi, Hiroaki Muta, and Shinsuke Yamanaka
  • 雑誌名: Mater. Trans. 巻: 57（７） ページ: 1070-1075
  • DOI: http://doi.org/10.2320/matertrans.E-M2016805
  • 査読あり
• [学会発表] Thermoelectric Conversion Technology and Recent Research in My Group (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsuko Kosuga
  • 学会等名: 8th International Science, Social Science, Engineering and Energy Conference 2017 (I-SEEC 2017)
  • 発表場所: Pattaya, Thailand
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] カルコパイライト熱電材料の結晶構造と形成相の詳細解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井洋輔、小菅厚子
  • 学会等名: 第64回 応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] 異分野融合的アプローチによる新しいナノ・ミクロ構造制御熱電バルク材料とデバイス開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小菅厚子
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部セミナー
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-03 – 2017-03-03
  • 招待講演
• [学会発表] Potential of GeSbTe phase change materials for thermoelectric applications (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsuko Kosuga, Hiroki Ishibashi, Yoshiki Kubota, and Kouichi Kifune
  • 学会等名: 第28回相変化研究会シンポジウム(PCOS2016)
  • 発表場所: KKRホテル熱海
  • 年月日: 2016-11-24 – 2016-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric Materials Research Beyond Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Atsuko Kosuga
  • 学会等名: The 10th Nanosquare Workshop
  • 発表場所: 大阪府立大学
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-04
• [学会発表] Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大本達朗、久保田佳基、山田幾也、小菅厚子
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期（第159回）講演大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-09-21 – 2016-09-23
• [学会発表] 室温高圧処理を行った欠陥含有CuGaTe2の構造と熱電特性の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井洋輔、舩島洋紀、吉田博、山田幾也、小菅厚子
  • 学会等名: 日本金属学会2016年秋期（第159回）講演大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-09-21 – 2016-09-23
• [学会発表] Ge2Sb2Te5準安定相バルク状熱電変換材料の結晶構造及び低温熱電特性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大本達朗、久保田佳基、山田幾也、小菅厚子
  • 学会等名: 第13回日本熱電学会学術講演会（TSJ2016）
  • 発表場所: 東京理科大学葛飾キャンパス
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-07
• [学会発表] 室温高圧処理を行った欠陥含有CuGaTe2の構造と熱電特性解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井洋輔、舩島洋紀、吉田博、山田幾也、小菅厚子
  • 学会等名: 第13回日本熱電学会学術講演会（TSJ2016）
  • 発表場所: 東京理科大学葛飾キャンパス
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-07
• [学会発表] Structure and thermoelectric transport analysis of defect containing CuGaTe2 prepared by room-temperature high-pressure synthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Fujii, Hiroki Funashima, Hiroshi Yoshida-Katayama, Ikuya Yamada, Atsuko Kosuga
  • 学会等名: The 35th International Conference on Thermoelectrics (ICT2016)
  • 発表場所: Wanda Reign Hotel Wuhan, Wuhan, China
  • 年月日: 2016-05-29 – 2016-06-02
  • 国際学会