かご状構造を持つ熱電半導体を用いた新奇なエネルギー散逸機構の発現・制御の検討

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05133
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 赤井 光治 山口大学, 国際総合科学部, 教授 (20314825)
• 研究分担者: 岸本 堅剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (50234216) ; 小柳 剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90178385)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 熱電変換 / クラスレート半導体

研究実績の概要

クラスレート半導体は、IV族元素をベースとする共有結合性の結合により形成されたナノサイズのカゴ状分子が互いにブロックが組み上がるようにつながったネットワーク構造を持ち、良好な電子伝導が期待される。更にカゴ内にイオン化したアルカリ金属やアルカリ土類金属などの原子を内包し、原子振動としては振幅が大きく非調和なイオン振動（ラットリング）をしている特徴を持つ。本研究では、高いキャリア伝導を持つ電子系がラットリングを介して、電磁波放射することで、高い熱電変換効果を生む可能性を検討している。なお、電磁波放出は電気双極子放出を考えた場合に、振動子強度（大雑把に言えば振幅）が大きい方が起こりやすい。このため、オフセンター型ラットリングで大きな振幅を持つタイプI構造クラスレート半導体: Ba-Ga-Snに注目している。今年度は、この系に対して、Baイオンのラットリング運動による電磁波放出エネルギーを算出し、電磁波放出による電子気体の冷却の可能性を調べた。
タイプI構造では、カゴの形状には12面体構造と14面体構造の２種類があり、オフセンターラットリングは14面体のカゴ内で生じる。本研究では、この14面体に内包されるイオンの振動に注目した。振動を解析するために、カゴ内でイオンが感じるポテンシャルエネルギーを電子構造計算手法に基づき計算した。このポテンシャルを用い、古典力学的な取り扱いとともに、電磁波は双極子放出として扱い、オフセンターラットリングを非調和な一次元ポテンシャル内での振動として扱い、更に擬似調和振動子的な近似を用いて計算を行なった。この近似により、室温において半導体表面から放出される電磁波量はBa-Ga-Snの結晶構造から3.6 μW/cm^2となる結果を得た。最近注目されるエネルギーハーベスティングのような仕組みを想定すると、魅力的な結果と言える。

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

初年度は本研究の中心的な機構の可能性を探ることに焦点を当てており、十分本研究の手法による機構が有効であることを確認することができ、目的を達している。

今後の研究の推進方策

今後の課題としては、更なるモデルの精密化がある。今回の電磁波放出エネルギーの値は見積りに近い。今回、非常に有望な値を得たことから、ポテンシャル形状の次元の効果や量子効果を加えた検討を進める。また、伝導電子系（ホール系の場合も含む）とラットリングとの相互作用による、電子系からラットリング系へのエネルギー輸送量について、検討を進める。更に、この効果の実験的な検証についても、検討を進める。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルスの影響で、オンラインでの対応が主体となり、実際の対面で必要な研究が繰越となったため。ただし、これによる研究の遅れが生じないようにできた。なお、繰越した予算については今年度の予算と合算し、今後の効率的な研究推進のため、計算サーバーの機能強化を予定している。また、前年度分も含め、試料作成および計測を進める予算にも充当する。