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High mobility thermoelectric materials: clathrates with controlled electronic structure in caged crystal structure by guest atomic orbital selection

高迁移率热电材料：通过客体原子轨道选择在笼状晶体结构中具有受控电子结构的包合物

基本信息

批准号：
22K04699
负责人：
岸本堅剛
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

熱電材料としてクラスレート化合物が取り上げられた当初のモデルと違って，Ge系タイプ1クラスレートのキャリア伝導は，ホスト－ホスト間の混成軌道ではなく，ゲスト－ホスト間の混成軌道を利用している。したがって，そのキャリア伝導にはゲスト原子の原子軌道が影響する。従来の熱電クラスレートのゲスト原子はBaであった。代表者らはNaに着目している。Baのd軌道に比べて，Naのs軌道の方がキャリアにとって優良な伝導経路を形成できるのではないかと考えている。高性能材料を開発するために，最近合成したNa8Ga8Ge38を出発点として，その派生物の作製と特性評価を行った。1．カゴサイズ増減の影響：混晶化物Na8Ga8Ge38-xSixおよびNa8Ga8Ge38-xSnxのサンプル作製を試みた。前者ではx=4まで，後者ではx=0.5まで置換できた。その結果，格子定数は，それぞれ-0.3%と+0.14%だけ変化した。しかし，不純物相が存在したため，キャリア移動度は増加しなかった。2．ホスト置換原子の変更：ゲスト－ホスト間の混成軌道の形成には，Gaなどのホスト格子上の置換原子の存在が不可欠である。従来のGaからAlあるいはZnに代えたクラスレート化合物を作製した。Na8Al8Ge38では，共有結合半径の違い（Al: 126 pm, Ga: 124 pm, Ge: 121 pm）から混成の度合いが増し，Na8Ga8Ge38に比べて有効質量が微減した。それを受けてキャリア移動度の向上が期待されたが，一方でキャリアに対する合金散乱が微増したため，そうはならなかった。また，フォノン伝導に対する合金散乱が増えたため，格子熱伝導率が下がった。その結果，Na8Al8Ge38は，Na8Ga8Ge38に比べて高い無次元性能指数ZTを示した。Na8Zn4Ge42では，共有結合半径の違い（Zn: 118 pm, Ga: 124 pm）から混成の度合いが減り，Na8Ga8Ge38に比べて有効質量が増加した。その結果，キャリア移動度は減少した。

Thermoelectric materials and chemical compounds are used in the hybrid orbit of Ge system. The atomic orbitals of atoms are influenced by the atomic orbit.従来の热电クラスレートのゲスト原子はBaであった。The representative is Na. Ba's d orbitals are smaller than Na's, and Na's orbitals are smaller than Na's. The development of high-performance materials has recently been evaluated in the context of the synthesis of Na8Ga8Ge38. 1. The influence of The former is <$x=4, the latter is <$x=0.5. As a result, the lattice constant is-0.3% and +0.14% respectively. There is no pure phase, there is no pure phase. 2. The existence of substitution atoms on the lattice is indispensable for the formation of hybrid orbits between atoms. A new type of compound was prepared. Na8Al 8Ge 38 has a total of a combination radius of (Al: 126 pm, Ga: 124 pm, Ge: 121 pm), and a combination degree of (Al: 126 pm, Ga: 124 pm, Ge: 121 pm) increases, while Na 8Ga 8Ge 38 has a slight decrease in the mass of (Al: 126 pm, Ga: 124 pm, Ge: 121 pm). A small amount of metal was added to it. The heat conductivity of the lattice is very low. As a result, Na8Al8Ge38 is higher than Na8Ga8Ge38 in terms of dimensionless performance index ZT. Na8Zn4Ge42 has a total binding radius of (Zn: 118 pm, Ga: 124 pm), and the degree of hybridization decreases, while Na8Ga8Ge38 has an increase in mass. As a result, mobility decreases.