准晶中是否存在半导体是固体物理学的基本课题之一，如果存在，有望作为高性能热电材料使用。但此前，在存在大量准晶的铝基材料中，即使是在作为前体的近似晶体中也没有发现半导体。此次，东京大学在铝基准晶近似晶体中成功制作出了半导体。这项成果是实现半导体准晶的突破口，预计半导体准晶的热电性能可达到晶体的2.5倍。
目前在100多种物质中发现了准晶，与晶体和非晶一样，准晶作为固体结构的概念也已确立（表1），并获得了2011年的诺贝尔化学奖。另一方面，在固体物理学最基本的分类中，根据电气性质可将固体结构分为金属、半金属、半导体和绝缘体几类。而在原子级准晶中只发现了金属（表2），是否存在半导体和绝缘体成为固体物理学的基本问题之一。
表1：晶体、准晶和非晶的比较。
表2：根据固体的结构和电气性质分类。
按照第一性原理计算的结果显示，作为铝基正20面体准晶的前体——铝基准晶近似晶体之一的Al22Ir8（图1），具备半金属能带结构，此次研究小组的着眼点就在于此。研究发现，如图2所示，导带下端由位于正20面体簇顶点的Ir的d轨道构成，价带上端由正20面体簇内部的簇状（由8个Al和1个Ir构成）p轨道构成。因此，为打开带隙，d轨道的能量用比Ir高的Ru置换了Ir，sp轨道的能量用比Al低的Si置换了Al的一部分，由此形成了Al18Si5Ru8。研究小组对其结构实施了第一性原理计算，结果跟预想的一样，带隙扩大，形成了半导体能带结构。
图1：Al22Ir8近似晶体的晶体结构。Ir的正20面体簇形成了立方晶。
图2：Al22Ir8和Al18Si5Ru8近似晶体的能带结构与导带下端和价带上端的电子轨道。
通过用Ru置换Ir和用Si置换Al的能带工程，成功打开了带隙。
为了通过实验确认是否形成了半导体，研究小组利用Al18Si5Ru8（Al58.1Si16.1Ru25.8）的近似组成合成了样品，最终以Al67.6Si8.9Ru23.5的结构构成，成功制作了单相近似晶体，并对该样品的热电性能（塞贝克系数、导电率、导热率）进行测量。根据塞贝克系数和导电率对温度的依赖性确认，该样品是具备0.15eV左右带隙的半导体。由此证明，此次是在全球首次通过实验在铝基近似晶体中制造出了半导体。之前虽然通过第一性原理计算预测到了很多半导体，但一直未能通过实验实现。
在很多铝基合金中，通过近似晶体的近似组成都能生成准晶，因此在Al-Si-Ru基材料中也可能发现半导体准晶。如果能够实现，不仅有望解决固体物理学的一个基本问题，还有助于开发更高性能的热电材料。
（日文发布全文）
文：JST客观日本编辑部
