第一原理計算を併用した遷移金属間化合物の高圧合成と環境調和型熱電変換材料への応用

利用第一性原理计算高压合成过渡金属间化合物及其在环保热电转换材料中的应用

• 批准号: 18J12460
• 负责人: 飛田 一樹
• 金额: $ 1.22万
• 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: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J12460/
• 关键词: 金属間化合物; 相安定性; 高圧合成; 熱電材料; 低温相; 金属物性; 構造・機能材料; 熱電変換材料; 第一原理フォノン計算

本年度は示差走査熱量測定や第一原理計算を用いて，正方晶FeAl2の常圧での相安定性について検討した．示差走査熱量測定の結果，正方晶FeAl2は吸熱反応を伴ってFeAlとFe2Al5へ分解することが分かった．吸熱反応が見られる温度は，昇温速度20 K/minの場合は500 ℃付近だったが，昇温速度5 K/minの場合は470 ℃付近まで低下した．したがって，この分解反応は反応速度が律速となっていることが分かった．正確な分解温度を見積もるために，350 ℃および400 ℃で1週間熱処理を行った結果，400 ℃ではFeAl+Fe2Al5への分解が見られた一方，350 ℃では元の正方晶FeAl2を維持していたため，分解温度は400 ℃付近に存在することが示唆された．分解後のFeAl+Fe2Al5を用いて900 ℃まで示差熱分析を行った結果，明確な発熱吸熱ピークは見られなかったものの，測定後の試料は常圧でこれまで最安定構造だと考えられてきた三斜晶FeAl2に相転移した．この結果から，FeAl＋Fe2Al5のエンタルピー差は極めて小さく，高温では三斜晶FeAl2の方が安定であることが示唆された．前述の正方晶FeAl2の吸熱反応による分解と合わせて考えると，高圧相だと思われていた正方晶FeAl2は，常圧においても低温では最安定であることが分かった．しかし，低温では原子拡散が極めて遅いため，これまで常圧で正方晶FeAl2は作製できなかったと考えられる．第一原理計算においても，同様に常圧0 Kでは正方晶FeAl2が最安定であるという結果が得られた．これらの結果から，何らかの方法で低温での原子拡散を促進することができれば，常圧においても正方晶FeAl2が作製可能であることが示唆された．

This year, the differential calorimetry and first-principle calculation were used to investigate the phase stability of tetragonal FeAl2 at constant pressure. The results of differential calorimetry show that tetragonal FeAl2 absorbs heat and reacts with FeAl and Fe2Al5. Heat absorption reaction temperature is low, temperature rise rate is 20 K/min, temperature rise rate is 500 ℃, temperature rise rate is 5 K/min, temperature rise rate is 470 ℃. The speed of decomposition and inversion is the speed of decomposition and inversion. The decomposition temperature of FeAl+ Fe2Al5 is 350 ℃ ~ 400 ℃, and the decomposition temperature of FeAl+ Fe2Al5 is 350 ℃ ~ 400 ℃. The results of differential thermal analysis of the decomposed FeAl+ Fe2Al5 at 900 ℃ show that the heat emission and absorption of the sample are clearly visible. After measurement, the sample is at normal pressure. This is the most stable structure due to the phase shift of the triclinic FeAl2 crystal. The results show that FeAl+ Fe2Al5 is stable at high temperature. The heat absorption reaction of the tetragonal FeAl2 is decomposed and combined, and the tetragonal FeAl2 is most stable at high pressure and low temperature. At low temperatures, the atoms are dispersed and the FeAl2 crystals are tetragonal. First Principle Calculation: 0 K for tetragonal FeAl2 and 0 K for tetragonal FeAl2 The results show that the atomic dispersion at low temperature is promoted, and the tetragonal FeAl2 at high pressure is possible.

项目成果

正方晶FeAl2の熱的安定性と熱電特性

四方FeAl2的热稳定性和热电性能

• 发表时间: 2018
• 作者: 飛田一樹;佐藤直大;桂ゆかり;北原功一;浜根大輔;後藤弘匡;木村薫
• 通讯作者: 木村薫

Phase stability and thermoelectric properties of semiconductor-like tetragonal FeAl2

类半导体四方FeAl2的相稳定性和热电性能

• DOI: 10.1080/14686996.2019.1662272
• 发表时间: 2019
• 期刊: Science and Technology of Advanced Materials
• 影响因子: 5.5
• 作者: Tobita Kazuki;Kitahara Koichi;Katsura Yukari;Sato Naoki;Nishio-Hamane Daisuke;Gotou Hirotada;Kimura Kaoru
• 通讯作者: Kimura Kaoru