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，对添加β-FESI_2和其他过渡元件（CO，MN，Ni，CR等）的系统变化进行了分子轨道计算，并证实了晶体晶格的传播对异构体移的效果很大。但是，只有共添加的β-FESI_2显示出很大的值，并且具有其他过渡元素的系统变化不大，与无添加剂的β-FESI_2没有显着差异。这不能通过分子轨道方法或带计算充分解释。因为四极裂裂变与铁核位置处的电场梯度成正比。但是，如果这取决于在异构体偏移的解释中指出的晶格跨度，则无法解释在共添加的系统中大型四极杆分裂。此外，由于仅CO原子的局部效应，无法解释两个铁地点的增加。因此，仅电子的贡献就无法解释四极分裂的问题。因此，我们使用变形电位方法解释了这个问题。换句话说，铁的核位置的电场梯度不仅被认为是电子的贡献，而是将其视为与声子的相互作用。基于这些解释，发现大四极杆分裂对耦合到传导电子的声子数量有重大影响。顺便说一句，与CO添加的系统是行业中使用的材料。因此，在开发高功率热电设备时，我们不能仅仅考虑电子的贡献，例如频带计算和分子轨道方法，而是专注于晶体晶格中电子与声子之间的相互作用，并考虑基于此的材料设计。