ナノ周期構造転移を利用した熱伝導率変調材料の開拓

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21075
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 片瀬 貴義 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: 熱伝導率 / 構造転移 / 第一原理計算

研究実績の概要

昨年度に層状SnSeと岩塩型PbSeの固溶体(Pb1-xSnx)Seの高密度バルク焼結体を合成し、相境界組成に調整した(Pb0.5Sn0.5)Seが温度変化によって2D層状構造から3D岩塩型構造へ可逆的に構造転移し、ナノ周期構造を変調させることに成功した。今年度は、(Pb0.5Sn0.5)Seバルク焼結体の熱伝導率の温度変化を系統的に評価した。作製直後の試料を室温から350℃に昇温すると2D構造から3D構造へ変化し、熱伝導率が3.3倍に増加した。一方、高温から100℃以下の低温に冷却すると3D構造から2D構造へ変化し、熱伝導率が急激に減少して熱伝導率を可逆的に変調させることに成功した。構造転移に伴う熱伝導率変化の起源を解明するために、電子による熱伝導率（κele.）と格子振動による熱伝導率（κlat.）の温度変化をそれぞれ調べた。昇温による2D構造から3D構造への転移により、半導体の電子構造からバンドギャップの潰れた金属の電子構造へ変化することで、電気伝導度とκele.が6桁も変化することが分かった。昇温時の2D構造相と降温時の3D構造相について100℃ におけるκlat.を比べたところ、2D構造相のκlat.が1/3になっていることが分かった。第一原理フォノン計算から2D構造の層構造が強くフォノンを散乱するため、3D構造から2D構造へ変化する際にκlat.が大きく減少したことを明らかにした。以上のことから、(Pb0.5Sn0.5)Se固溶体の2D－3D構造転移によって、κele.とκlat.を同時に大きく変化させることができ、大きな熱伝導率変化が実現されたことが分かった。本研究成果はAdvanced Electronic Materials誌に出版され、日経産業新聞等で報道された。

研究成果

• [国際共同研究] 華中科技大学/蘇州大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 華中科技大学/蘇州大学
• [国際共同研究] ウィーン工科大学(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: ウィーン工科大学
• [雑誌論文] Design, Synthesis, and Optoelectronic Properties of the High-Purity Phase in Layered AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) Semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Shiraishi, Shigeru Kimura, Xinyi He, Naoto Watanabe, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Makoto Minohara, Kosuke Matsuzaki, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 61 ページ: 6650-6659
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c00604
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Mobility Metastable Rock-Salt Type (Sn,Ca)Se Thin Film Stabilized by Direct Epitaxial Growth on a YSZ (111) Single-Crystal Substrate (2022)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Jinshuai Chen, Takayoshi Katase, Makoto Minohara, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 14 ページ: 18682-18689
  • DOI: 10.1021/acsami.2c01464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic and Lattice Thermal Conductivity Switching by 3D-2D Crystal Structure Transition in Nonequilibrium (Pb1-xSnx)Se (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Suguru Kitani, Kota Hanzawa, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hitoshi Kawaji, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Adv. Electron. Mater. 巻: 0 ページ: 2200024
  • DOI: 10.1002/aelm.202200024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Degenerated Hole Doping and Ultra-Low Lattice Thermal Conductivity in Polycrystalline SnSe by Nonequilibrium Isovalent Te Substitution (2022)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Haoyun Zhang, Takumi Nose, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 0 ページ: 2105958
  • DOI: 10.1002/advs.202105958
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large phonon drag thermopower boosted by massive electrons and phonon leaking in LaAlO3/LaNiO3/LaAlO3 heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 21 ページ: 9240-9246
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03143
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Breaking of thermopower - conductivity trade-off in LaTiO3 film around Mott insulator to metal transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Takaki Onozato, Keisuke Ide, Bin Feng, Tetsuya Tohei, Hidenori Hiramatsu, Hiromichi Ohta, Yuichi Ikuhara, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 8 ページ: 202102097
  • DOI: 10.1002/advs.202102097
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ion substitution effect on defect formation in two-dimensional transition metal nitrides semiconductor, AETiN2 (AE = Ca, Sr, Ba) (2021)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 ページ: 10227-10234
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00526
  • 査読あり
• [学会発表] 非平衡カルコゲナイド固溶系半導体の2次元―3次元構造転移と巨大電子物性変調 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片瀬貴義
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 3D-2D structural phase transition and giant electronic conductivity modulation in non-equilibrium hetero-structural alloy, (Pb1-xSnx)Se (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Xinyi He, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hideto Yoshida, Shiro Kawachi, Junichi Yamaura, Masato Sasase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional layered semiconductors AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf); high-purity bulk synthesis and electronic property characterization (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: 2021 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Large phonon drag thermopower enhancement by epitaxial strain and phonon leaking in LaAlO3 / LaNiO3 / LaAlO3 heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: 2021 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Double charge polarity conversion by Sb doping in layered SnSe with switchable substitution sites (2021)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Chihiro Yamamoto, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: 2021 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of hydrogen doping on transport property of ultrawide bandgap amorphous oxide semiconductor, amorphous Ga-O (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Ide, Yukari Kasai, Akihiro Kato, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature fabrication of ionic liquid gated Zn3N2 electric double layer transistors with non-degenerate channel electron density (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaiwen Li, Kota Hanzawa, Keisuke Ide, Kosuke Matsuzaki, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Zhang Qun, Toshio Kamiya
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Zn3N2 electric double layer transistor by ionic liquid gating (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaiwen Li, Kota Hanzawa, Keisuke Ide, Kosuke Matsuzaki, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Qun Zhang, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Strain-induced large power-factor enhancement by breaking thermoelectric trade-off relation in lanthanum nickel oxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Kimura, Yuhi Higuchi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Degenerate hole conduction and ultra-low lattice thermal conductivity of SnSe by nonequilibrium isovalent Te substitution (2021)
  • 著者名/発表者名: Takumi Nose, Xinyi He, Haoyun Zhang, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structures and electro-optical properties of layered oxychalcogenide semiconductor, AE2CuInO3Ch (AE: Alkaline earth, Ch: Chalcogen) (2021)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Tatsuya Cho, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Current-driven metal-insulator transition observed in epitaxial thin films of the Mott Semiconductor Ca2RuO4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiji Tsubaki, Tenki Ishida, Yasuo Takahashi, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Masashi Arita
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Probe Microscopy analysis of neuromorphic resistive memory functions of amorphous oxide semiconductors (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Takayoshi Katase, Hiromichi Ohta, Masashi Arita, Yasuo Takahashi
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication and characterization of resistive random-access memory device using amorphous 12CaO7Al2O3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tasuke Kadono, Keisuke Ide, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Transport properties of Zn3N2 investigated by ionic liquid gated electric-double-layer transistors (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaiwen Li, Kota Hanzawa, Keisuke Ide, Kosuke Matsuzaki, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Zhang Qun, Toshio Kamiya
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced thermoelectric figure-of-merit ZT in layered SnSe doped with isovalent Te and its origin clarified by density functional theory (2021)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Haoyun Zhang, Takumi Nose, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Appearance and large enhancement of phonon drag thermopower by epitaxial strain and phonon leaking from LaAlO3 in LaNiO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Jan M. Tomczak, Makoto Minohara, Ryotaro Aso, Hideto Yoshida, Keisuke Ide, Shigenori Ueda, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] High-purity bulk synthesis and electronic properties of a two-dimensional layered semiconductor, alkaline earth transition metal nitrides (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, Toshio Kamiya
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Probe Microscopy Analysis of Defect-Driven Analog Memory Functions of TaOx for Neuromorphic Computing (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Turumaki-Fukuchi, Takayoshi Katase, Hiromichi Ohta, Masashi Arita, and Yasuo Takahashi
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Two-Step Current-Induced Transition in Ca2RuO4 Thin Films Observed in the Time-Resolved Resistive Switching Characteristics (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiji Tsubaki, Atsushi Turumaki-Fukuchi, Yasuo Takahashi, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, and Masashi Arita
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Fast and Reliable Resistance Switching in Ca2RuO4 Thin Films Driven by the Current-Induced Phase Transitions (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiji Tsubaki, Atsushi Turumaki-Fukuchi, Yasuo Takahashi, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, and Masashi Arita
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] High electron conductivity and extremely low thermal conductivity of layered SnS semiconductor by geometrical Pb doping (2021)
  • 著者名/発表者名: Mari Hiramatsu, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structures and electronic properties of 2-dimensional layered semiconductors, AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kimura, Akihiro Shiraishi, Xinyi He, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Phonon-drag driven giant anisotropic thermopower in epitaxially strained LaNiO3 (110) ultra-thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Kimura, Xinyi He, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Thermoelectric properties of non-equilibrium SnSe thin films stabilized by epitaxial strain (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryusei Higuchi, Takayoshi Katase, Kota Hanzawa, Shintaro Yasui, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of high-density hole doping by isovalent Te substitution in SnSe (2021)
  • 著者名/発表者名: Xinyi He, Haoyun Zhang, Takumi Nose, Takayoshi Katase, Keisuke Ide, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono, and Toshio Kamiya
  • 学会等名: The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
  • 国際学会
• [学会発表] 300cm2/Vs以上の粒内正孔移動度を示す非平衡岩塩型(Sn,Ca)Seエピタキシャル薄膜 (2021)
  • 著者名/発表者名: ホ シンイ, チェン ジンシュアイ, 片瀬 貴義, 井手 啓介, 平松 秀典, 細野 秀雄, 神谷 利夫
  • 学会等名: 薄膜材料デバイス研究会 第18回研究集会
• [備考] Reserach map
  • URL: https://researchmap.jp/katase