トヨタ学園 豊田工業大学大学院工学研究科の松波雅治准教授らの研究グループは、自然科学研究機構分子科学研究所の田中清尚准教授と共同で、角度分解光電子分光という手法を用いて、熱電材料の高性能化の鍵とされている電子散乱の影響を可視化することに初めて成功した。
熱電材料は、捨てられている熱から電気を得ることができる省エネルギー技術として注目されている。これまで熱電材料の性質は状態密度のエネルギー依存性に基づいて理解されてきたが、近年の研究から、いくつかの高性能な熱電材料においては状態密度だけでは性質を理解することが難しく、従来は無視されてきた電子散乱のエネルギー依存性を考慮することの重要性が認識されるようになってきた。
しかし、これまでに熱電材料における電子散乱のエネルギー依存性が実際に観測された例はなく、あくまで理論上の予測にとどまっていた。
今回、研究グループは角度分解光電子分光という手法を用いて、近藤効果によって異常な熱電特性を示すYbCu2Si2という物質の中の電子の性質を詳しく調査し、状態密度に加えて電子散乱の情報を抽出することに成功した。
実験で得られた状態密度には近藤効果に由来するピークが観測されており、電子散乱を特徴づける緩和時間はこのピークのエネルギーを境にしてフェルミエネルギーに向かって変化が大きくなっていることがわかった。緩和時間とは、電子が散乱されるまでの時間のことであり、この変化が電子の「ダイナミックさ」を反映している。
この物質の熱電特性を説明するためにはフェルミエネルギーでのグラフの傾きが正である必要があり、状態密度はこの条件を満たさず、緩和時間がこの条件を満たしていることがわかった。したがって、この物質の異常な熱電特性は、通常の材料のように状態密度の点では説明することができず、電子散乱が主要な役割を果たしていることが実証された。
本研究では電子のダイナミックさが熱電材料の高性能化の重要な鍵となり得ることを初めて実験的に裏付けたものである。この研究成果をきっかけに次世代の熱電材料となり得る物質における電子散乱の影響が実験的に解明され、それを制御することで高性能化が進み、熱電変換技術の社会実装が促進されることが期待される。
