遷移金属カルコゲナイド材料の創製と磁気的・熱電的性質の解明

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本研究では、熱電特性への磁性の影響がどの状況でその影響が現れることを解明するために、様々な磁性を持った鉱物カルコゲナイド材料が研究された。第一段階として、希薄磁性の影響を研究するために、有名な熱電材料のBi2Te3での3d遷移金属のクロミウムドーピングが調査された。結果としては熱電性能指数の磁性に伴う増進が証明された。ドーピングにより、キャリア濃度を一定に保ち、キャリア濃度と磁性による効果が区別できた。低濃度ドーピングの場合だけで磁性の効果が明らかで、熱伝導性の低下に加えて、ZTの３０％の増加が測定された。理論計算と磁性のないガリウムドーピングとの比較を加えて、磁性による大きな有効質量高性能な熱電的性質に寄与していることを決定的に解明できた。第二段階としてスピネルのCuCr2Te4で強磁性の影響が調べられた。SPS（放電プラズマ焼結方法）で銅原子スタッフィングを行い、Cu1+xCr2Te4の熱電的特性が研究された。銅濃度が上がると磁性が弱まり、ZTの増加が測定された。バンドギャップの狭いこの材料の場合は、電荷キャリアと磁気モーメントのカップリングに伴う強磁性がバンドギャップの閉鎖をもたらすと考えられる。結局、強磁性相での熱電特性が金属的になり、ZTが低減する。その一方で、銅スタッフィングにより、テルル化物のスピネルの中で高いZT（0.1）が得られた。一方で、スピネル結晶構造に近いCu4Mn2Te4の熱電的特性が調べられ、Mn原子空孔とIn2Te3とのコンポサイト化によって、高ZT（0.6）が得られた。