アイソエレクトロン合金によるエネルギーギャップ変動の理解と熱電力因子の大幅な向上

バンド構造エンジニアリングは、機能材料の特性を改善したり、既存のシステムに新しい特徴をもたらしたりする重要な戦略です。バンドギャップ（またはエネルギーギャップ、Eg）は、材料の電子的または光学的特性を決定する上で重要な役割を果たします。アイソエレクトロンおよびアイソストラクチャル合金は通常、類似した電子バンド構造を示しますが、Egの変動に関連する効果は明確に異なり、時には矛盾することがわかりました。本研究では、実験的特徴付けおよび理論計算に基づいて、アイソエレクトロン合金におけるバンド調整の起源について深く理解しました。組成に敏感なEgを持つアイソエレクトロン合金システムの前提条件は、（Sb, Bi）₂Te₃およびPb（Se, Te）を研究することによって徹底的に明らかにされました。期待されるMg₃（Sb, Bi）₂熱電材料において、Biアイソエレクトロン置換がEgを大幅に減少させることが発見されました。これは、Bi 6p軌道のエネルギーがSb 5p軌道よりも高いことと、格子の拡張によって引き起こされる結合強度の変化の組み合わせによります。ほぼゼロギャップのMg₃.₂Sb₀.₃Bi₁.₇サンプルにおいて、38.50 W/cm²・K²の高い室温パワーファクター（PF）値が得られ、電子輸送の観点から熱電材料の設計を合理的に導きます。