電子構造解析法の先端熱電材料への応用

2022 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21K20496
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 服部 裕也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, NIMSポスドク研究員 (00907975)
• 研究期間 (年度): 2021-08-30 – 2023-03-31
• キーワード: 電子構造 / 熱電物質

研究成果の概要

本研究では、無次元性能指数ZT=2.5という巨大な熱電性能をもつ物質Sr/NaドープPbTeに対して、電子構造を実験的に決定することで優れた性能指数の物理的起源を解明することを目的とした。低温(1.4 K)・強磁場(14.5 T)で観測される量子振動を解析することにより、低温でのフェルミ面がL点に存在するホールポケットのみで構成されることを明らかにした。またT=200 K程度の高温から、重い有効質量をもつΣバンドが電気伝導率に寄与することを実験的に示した。

自由記述の分野

金属電子論

研究成果の学術的意義や社会的意義

熱電発電は熱を電気に変換する発電方式であり、熱電発電を社会的に普及させることは、エネルギー源を多角化するために社会的に重要なテーマとなる。2010年以降巨大な熱電性能指数を示す物質が次々に発見され産業応用が近づいているが、その物理的起源は一般に明らかになっていない。本研究では、電子論的実験手法を利用することで、Sr/NaドープPbTeの電子構造を実験的に明らかにした。この結果、軽いホールと重いホールが共に電気伝導を担う、高い熱電性能を得るために理想的なバンド構造を形成していることが判明した。こうした電子構造の情報を材料開発時の”地図”とすることで、高効率な熱電材料開発が可能になると考えられる。