| 研究課題/領域番号 |
17K14922
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
平山 尚美 大阪大学, 理学研究科, 特任研究員(常勤) (70581750)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 熱電効果 / 第一原理計算 / シリサイド / 不純物ドープ / 不純物サイト / 格子欠陥 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は主に, マグネシウムシリサイド（Mg2Si）に対するP型不純物ドーピングの理論研究を行った。P型Mg2Siは合成が困難であり、合成できても高温でP型からN型に転じるなど不安定であることが知られる。このP型ドープMg2Siの不安定性の原因を明らかにするため、擬ポテンシャル法に基づく第一原理計算を行った。構造緩和計算から得られた安定構造をもとに、P型不純物がMg置換、Si置換、格子間侵入したそれぞれの場合について、形成エネルギーを評価した。その結果、Ag, Na, Gaなどの従来のP型ドーパントの多くが、Mg2Si結晶内で複数のサイトを同時に占有し、その結果、ホールだけでなく伝導電子も発生する可能性が示された。さらに、格子欠陥の影響も調査したところ、格子間侵入したMg原子は電子を供給するドーパントとなるだけでなく、バンドギャップ内に準位を形成することが分かった。このような電子状態の変化は、P型Mg2Siが高温においてN型に転じる挙動と深く関係していることが予想される。以上の結果から、安定なP型Mg2Siを実現するには、(1)P型サイトのみを占有するアクセプター原子を探索することと、(2)Mgの格子間侵入を抑制することが重要であると結論できる。
本年度は、前年までに得られたデータに加え、別の不純物原子種の計算を行ったほか、不純物原子のサイト占有率や高温におけるサイト間移動に必要なエネルギーを見積もるなど、より詳細な考察を行った。この結果について学術論文にまとめ、現在、投稿中である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
第一原理計算を用いた理論研究により、熱電材料の設計指針を得る研究はおおむね順調に進展している。これまではシリサイド材料の研究が主だったが、今後は高分子材料についても検討を進める予定である。一方で、KKR-CPA法に基づく新しい熱電計算コードの開発は、まだプログラムを適用できる系の対称性が限られているため、実用の段階に近づけるにはさらなる検討が必要である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、高分子の熱電材料の研究を開始すると同時に、KKR-CPA法に基づく熱電計算コードの開発に注力していく。
まず、高分子材料の研究課題については、いくつかの候補材料があるが、高分子の配向やミクロスコピックな構造と熱電発電効率の関係に着目して研究を行う予定である。この課題では、これまでの無機材料よりも計算コストがかかるため、新たに計算機を1台導入する予定である。
新しい熱電計算コードの開発については、ボルツマン輸送理論の範囲で電気伝導率を計算するプログラムは既に作成している。今後は、様々な対称性について適用できるようにプログラムを改良し、さらにゼーベック係数の計算も行えるようにする。また、その後は、久保公式に基づく熱電計算を実行できるよう、さらなる改良を加える予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度のソフトウェア更新料が予定よりも高額になったことと、本年度に実施した計算は既に所有している計算機だけでも実行可能だったため、計算機の購入を次年度に延期した。そのため、本年度の使用額が予定と異なる額となった。本年度に余った金額を次年度に繰越し、次年度の使用額と合わせて、新しい計算機を購入する予定である。
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