結晶化学による電子多自由度設計と熱電変換材料開発

利用晶体化学的电子多自由度设计和热电转换材料开发

• 批准号: 07J05020
• 负责人: 栗山 博道
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J05020/
• 关键词: 5d遷移金属酸化物; イリジウム酸化物; フラットバンド金属; ナローギャップ半導体; エピタキシャル薄膜; スピン軌道相互作用; 電子間相互作用; 熱電変換; 三角格子; フラットバンド; LiIr_2O_4; 強相関電子; 電子多自由度; 高効率熱雷変換材料; Pulsed laser deposition; 結晶格子の否み; バッファー層

5d遷移金属酸化物、特にイリジウム酸化物に着目し以下の二つの指針に基づいて熱電変換材料の設計(第一原理計算)、薄膜合成、性能評価を行った。1.幾何学的フラストレーションの強い格子に起因したフラットバンド金属本研究で得られたスピネル型イリジウム酸化物LiIr_2O_4において、フラットバンドが形成されることを、第一原理電子状態計算から見出した。絶縁体であるLiIr_2O_4に対してリチウムデインターカレーション(Ir_2O_4)によるホールドープを試みたが金属状態は得られなかった。光学スペクトルによる電子構造の観測からIr_2O_4がスピン軌道相互作用と電子間相互作用の協奏によって小さなエネルギーギャップをもつ半導体になっていることが示唆される。2.電子間相互作用やスピン軌道相互作用に起因した小さなエネルギーギャップをもつ半導体スピン軌道相互作用を考慮した第一原理電子状態計算から、AIrO_3(A=Sr,Ca)がスピン軌道相互作用によって小さな直接ギャップの開いた半金属になることが期待される。特に、格子の小さいCaIrO_3の方が、ギャップが大きく、キャリア数が少ないと予想された。実際、CaIrO_3の方が、キャリア数が少なくナローギャップ半導体に近い傾向を示した。一方で熱起電力は150K付近で極大(30μV/K)を示し、半金属状態を残していることが伺える。さらにエピタキシャル歪みによって格子を縮めるなどの工夫によって、ナローギャップ半導体の実現と熱電性能の向上が期待される。本研究によって、5d遷移金属酸化物においてフラットバンド金属の実現が難しいことが示された。スピン軌道相互作用と電子間相互作用によって小さなエネルギーギャップを伴った半導体になってしまうためである。一方で、ナローギャップ半導体は高い熱起電力と低い電気抵抗を両立させる舞台である。耐酸化性の酸化物ナローギャップ半導体は、中温領域での排熱発電への応用が大いに期待でき、5d遷移金属酸化物がその舞台となることを示せた。

根据以下两个准则，对5D过渡金属氧化物（特别是虹膜氧化物，特别是原理计算），薄膜合成和性能评估进行了设计。 1。由于强烈的几何挫败感，平坦带金属在这项研究中获得的尖晶石型氧化物氧化物liir_2o_4中的平坦带的形成是从第一个原理电子状态计算中发现的。绝缘子Liir_2O_4试图用锂去插入（IR_2O_4）孔涂料，但没有获得金属状态。使用光谱对电子结构进行观察表明，由于自旋轨道和电子之间的相互作用，IR_2O_4是一个具有较小能量间隙的半导体。 2。考虑到由电子 - 电子相互作用和自旋轨相互作用引起的半导体自旋轨道相互作用的第一原理电子状态计算，预计Airo_3（a = SR，CA）将成为由于旋转相互作用而引起的微小，直接间隙的半学。特别是，据预测，有一个小晶格的Cairo_3具有较大的缝隙和较少的载体。实际上，Cairo_3表现出较少的载体和更接近狭窄间隙半导体的趋势。另一方面，热电磁力在150K左右的最大值（30μV/k），表明它仍然是半金属状态。此外，预计狭窄的间隙半导体和热电性能将通过努力来改善诸如由于外延失真而缩小晶格等努力。这项研究表明，在5D过渡金属氧化物中实现扁平带金属很难实现。这是因为自旋轨道相互作用和电子电子相互作用导致半导体具有较小的能隙。另一方面，狭窄的间隙半导体是结合高热电动力和低电阻的阶段。耐氧化的狭窄间隙半导体对中等温度区域的废热产生的应用高度期待，并且已经表明5D过渡金属氧化物将成为此设置。