研究課題
本研究は、新規高性能熱電材料の創製を目指し、その設計指針を構築するために、物質の電子構造の観点から異常熱起電力の発現・制御機構を明らかにすることを目的とするものである。具体的には、課題申請者が最近発見した低次元系磁気相関酸化物CaCo_2O_4を用い、固溶置換体の作製によるバンドフィリング、バンド幅・形状制御を通じて、異常熱起電力の制御を行う。さらに、その物質評価と物性評価を行うと共に、バンド計算と分光手法による電子構造・電子状態の解析を行い、線形応答理論などを用いて異常熱起電力の起源を明らかにする。H22年度は、CaサイトのNa置換体の作製を行い、キャリア量調節による電気伝導率の制御(増大)を試みた。バンド計算によれば、CaCo_2O_4のフェルミ面形状は、ホールドーピングに伴うフェルミレベルの位置調節によって、ホールポケット状(三次元伝導)から平行平板状(一次元伝導)へと変化させることができ、高い電気伝導率は、大きな一次元的フェルミ面の形成によって実現できると予想されている。今回、我々は8GPa級の超高圧合成法を用いた。出発原料にNa_2O_2を用いた場合は水酸基系不純物の混入が避けられず、目的相を合成することが困難であった。しかし、化学量論比で過剰酸素を含む物質を前駆体として用いる新しい合成プロセスを考案し適用したところ、Ca_<1-x>Na_xCo_2O_4(0≦x≦0.6)のNa置換体(新物質)を合成することに成功した。この試料のX線回折、電気抵抗率測定、磁化率測定等による物性評価を行い、相内にはホールが系統的且つ十分にドーピングされている可能性があることを確認した。さらに、熱伝導率と比熱測定のデータを元に母物質のフォノンの平均自由行程を評価し、元素置換や格子周期変調によりフォノン熱伝導が抑制できる可能性があることを明らかにした。
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