電子論に基づく高出力熱電素子β-FeSi_2の材料設計

基于电子理论的大功率热电元件β-FeSi_2材料设计

• 批准号: 07750731
• 负责人: 近藤 慎一郎
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Nagasaki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 1996
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750731/
• 关键词: 分子軌道法; バンド計算; アイソマ-シフト; 四重極分裂; β-FeSi_2; フォノン; 高出力熱電素子

まずβ-FeSi_2及びそれに他の遷移元素(Co,Mn,Ni,Cr等)を添加した系についてのアイソマ-シフトの変化について分子軌道計算をおこなったところ、結晶格子ののびがアイソマ-シフトに大きな影響を与えていることを確認した。しかしながら四重極分裂については、Coを添加したβ-FeSi_2のみが大きな値を示し、他の遷移元素を添加した系はそれほど大きな変化はなく、無添加のβ-FeSi_2と大きな差はなかった。これは、分子軌道法やバンド計算では十分説明ができない。なぜなら四重極分裂は鉄原子核位置における電場勾配に比例する。しかしそれが、アイソマ-シフトの解釈で指摘したように結晶格子ののびに依存するものとすれば、Coを添加した系での大きな四重極分裂は説明できない。またCo原子のみの局所的な効果によるものであるという解釈で二つの鉄サイトでの増加を説明することはできない。よって単純に電子だけの寄与では四重極分裂の問題を説明できない。そこで我々は、変形ポテンシャル法を用いてこの問題を解釈してみた。すなわち鉄の原子核位置における電場勾配を単純に電子だけの寄与と考えず、phononとの相互作用で考えようとするわけである。これらの解釈に立脚すれば、大きな四重極分裂は伝導電子に結合している音響phononの数が大きく影響していることがわかった。ところでCoを添加した系は工業上用いられている材料である。それ故高出力熱電素子の開発には、単にバンド計算や分子軌道法といった電子のみの寄与を考えるのではなく結晶格子内での電子とphononとの相互作用などにも注目し、その上での材料設計を考えないといけない。

首先，我们对添加了 β-FeSi_2 和其他过渡元素（Co、Mn、Ni、Cr 等）的体系的异构体位移变化进行了分子轨道计算，证实了异构体位移的影响。但在四极分裂方面，只有添加Co的β-FeSi_2表现出较大的值，添加其他过渡元素的体系变化不大，与未添加的β-FeSi_2没有太大差异。这不能用分子轨道法或能带计算来完全解释。这是因为四极分裂与铁核位置处的电场梯度成正比。然而，如果这取决于异构体位移解释中指出的晶格长度，则无法解释共添加体系中的大四极分裂。此外，两个铁位点的增加不能用仅由于Co原子的局部效应的解释来解释。因此，四极分裂问题不能简单地用电子的贡献来解释。因此，我们尝试用变形势法来解释这个问题。换句话说，铁核位置处的电场梯度不能简单地视为电子单独的贡献，而是与声子的相互作用。基于这些解释，我们发现大四极分裂很大程度上受到耦合到传导电子的声子数量的影响。另外，添加Co的体系是工业上使用的材料。因此，在研发高功率热电器件时，我们不能简单地利用能带计算或者分子轨道的方法来考虑电子的贡献，还要关注晶格内部电子与声子之间的相互作用，进而我们要思考材料设计。