準晶中是否存在半導體是固態物理學的基本課題之一，如果存在，有望作爲高性能焦熱電材料使用。但此前，在存在大量準晶的鋁基材料中，即使是在作爲前驅物的近似晶體中也沒有發現半導體。此次，東京大學在鋁基準晶近似晶體中成功製作出了半導體。這項成果是實施半導體準晶的突破口，預計半導體準晶的焦熱電性能可達到晶體的2.5倍。
目前在100多種物質中發現了準晶，與晶體和非晶一樣，準晶作爲固體結構的概念也已確立（表1），並獲得了2011年的諾貝爾化學獎。另一方面，在固態物理學最基本的分類中，根據電氣性質可將固體結構分爲金屬、半金屬、半導體和絕緣體幾類。而在原子級準晶中只發現了金屬（表2），是否存在半導體和絕緣體成爲固態物理學的基本問題之一。
表1：晶體、準晶和非晶的比較。
表2：根據固體的結構和電氣性質分類。
按照第一性原理計算的結果顯示，作爲鋁基正20面體準晶的前驅物——鋁基準晶近似晶體之一的Al22Ir8（圖1），具備半金屬能帶結構，此次研究小組的着眼點就在於此。研究發現，如圖2所示，傳導帶下端由位於正20面體簇頂點的Ir的d軌道構成，價帶上端由正20面體簇内部的簇狀（由8個Al和1個Ir構成）p軌道構成。因此，爲開啟帶隙，d軌道的能量用比Ir高的Ru置換了Ir，sp軌道的能量用比Al低的Si置換了Al的一部分，由此形成了Al18Si5Ru8。研究小組對其結構實施了第一性原理計算，結果跟預想的一樣，帶隙擴大，形成了半導體能帶結構。
圖1：Al22Ir8近似晶體的晶體結構。Ir的正20面體簇形成了立方晶。
圖2：Al22Ir8和Al18Si5Ru8近似晶體的能帶結構與傳導帶下端和價帶上端的軌域。
透過用Ru置換Ir和用Si置換Al的能帶工程，成功開啟了帶隙。
爲了透過實驗應答是否形成了半導體，研究小組利用Al18Si5Ru8（Al58.1Si16.1Ru25.8）的近似組成合成了樣品，最終以Al67.6Si8.9Ru23.5的結構構成，成功製作了單相近似晶體，並對該樣品的焦熱電性能（塞貝克係數、導電率、導熱率）進行測量。根據塞貝克係數和導電率對溫度的依賴性應答，該樣品是具備0.15eV左右帶隙的半導體。由此證明，此次是在全球首次透過實驗在鋁基近似晶體中製造出了半導體。之前雖然透過第一性原理計算預測到了很多半導體，但一直未能透過實驗實施。
在很多鋁基合金中，透過近似晶體的近似組成都能生成準晶，因此在Al-Si-Ru基材料中也可能發現半導體準晶。如果能夠實施，不僅有望解決固態物理學的一個基本問題，還有助於開發更高性能的焦熱電材料。
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文：JST客觀日本編輯部
