JP2002029728A - Silicon and/or germanium clathrate compound and its production process - Google Patents

Silicon and/or germanium clathrate compound and its production process

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JP2002029728A
JP2002029728A JP2000210850A JP2000210850A JP2002029728A JP 2002029728 A JP2002029728 A JP 2002029728A JP 2000210850 A JP2000210850 A JP 2000210850A JP 2000210850 A JP2000210850 A JP 2000210850A JP 2002029728 A JP2002029728 A JP 2002029728A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon and/or germanium clathrate compound which has a completely different bonding mode from that of a conventional silicon or germanium crystal and the physical properties of which can greatly be changed without changing its basic structure, and also to provide a production process of the clathrate compound. SOLUTION: This clathrate compound comprises, as its constitutional unit, a polyhedral cluster consisting of, as its constitutional units, (Si, Ge or a mixture of Si and Ge)20 and (Si, Ge or a mixture of Si and Ge)24, each of which is also a cluster of the Si and/or Ge element, and further, additionally contains a d- electron-containing element, an f-electron-containing element or a mixture of a d-electron-containing element and an f-electron-containing element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトロニクス
産業上の利用分野に関するものであり、高性能デバイス
を作るための半導体、金属、絶縁体素材として使用され
るシリコンおよびゲルマニウムクラスレート化合物およ
びその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field of application in the electronics industry, and relates to a silicon and germanium clathrate compound used as a semiconductor, metal, or insulator material for producing a high-performance device, and a method for producing the same. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、コンピュータ技術を支える半導体
素子(演算論理回路素子、記憶素子、光電変換素子な
ど)および光通信技術を担っているレーザー素子は、シ
リコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素などのIII −V族
化合物半導体および硫化亜鉛などのII−VI化合物半導体
を利用して作られている。そして、かかる素子の性能
は、主に素子のLSI化による微細化によって進展して
きた。しかし、今後は微細化による性能向上はあまり期
待できず、素子性能は、素子を構成する素材の基本的性
能により規定される度合いがより一層強くなってきてい
る。
2. Description of the Related Art At present, semiconductor devices (such as arithmetic logic circuit devices, storage devices, photoelectric conversion devices, etc.) that support computer technology and laser devices that support optical communication technology include III-V devices such as silicon, germanium, and gallium arsenide. It is made using II-VI compound semiconductors such as group III compound semiconductors and zinc sulfide. The performance of such devices has been developed mainly by miniaturization of devices by using LSIs. However, in the future, performance improvement due to miniaturization cannot be expected much, and the degree of element performance is more and more defined by the basic performance of the material constituting the element.

【0003】従って、エレクトロニクスの更なる発展を
考えると、従来の電子材料素材とは大きく異なる物性を
示す新素材の開発が望まれている。
[0003] Therefore, in view of the further development of electronics, it is desired to develop a new material having properties significantly different from those of conventional electronic material materials.

【0004】このような材料側からのブレークスルーを
見い出す1つの考えとして、自然に作り出されるナノ構
造クラスター/クラスレート物質を用いることが挙げら
れる。クラスター/クラスレート物質では、物質を構成
する元素間の結合様式が、従来の物質とは大きく異なる
ため高周波フォノンなどを介した超伝導物性や磁性物性
の制御が可能である。また、欠陥の数をクラスター/ク
ラスレート構造の構造の完全性により軽減できるため、
物質のもつ基本性能が大きく向上することが考えられ
る。
[0004] One idea to find such a breakthrough from the material side is to use a nanostructured cluster / clathrate material that is created naturally. In a cluster / clathrate material, the bonding mode between elements constituting the material is significantly different from that of a conventional material, so that superconducting properties and magnetic properties can be controlled via high-frequency phonons or the like. Also, because the number of defects can be reduced by the structural integrity of the cluster / clathrate structure,
It is considered that the basic performance of the substance is greatly improved.

【0005】IV族のSi及びGe元素に関係したクラス
ター/クラスレートの例としては、これまでシリコンに
おいて、ある条件の下で、アルカリ金属元素が導入され
た特異な形状の構造を単位とした結晶(シリコンクラス
レート)を形成することが知られていた(例えば、クロ
ス等、ジャーナル オブ ソリッド ケミストリー、2
巻、570頁、1970年)。
As an example of clusters / clathrates related to group IV Si and Ge elements, there has been known a crystal in silicon having a specific shape structure into which an alkali metal element is introduced under a certain condition. (Silicone clathrate) (eg, cloth, etc., Journal of Solid Chemistry, 2
Vol. 570, 1970).

【0006】しかし、この化合物は、アルカリ金属元素
だけがシリコンクラスレート物質を構成する籠構造を有
するM20およびM24(ここでMはSiを表わす)の籠中
に内包される形のものであり、得られる化合物の電子物
性は、アルカリ金属元素の導入量を制御することで半導
体から金属物性までキャリヤの導入量に依存して変化さ
せることはできるが、主な電子物性はクラスレートのネ
ットワーク構造でほぼ完全に決定されてしまう。
However, this compound is in a form in which only alkali metal elements are included in cages of M 20 and M 24 (where M represents Si) having a cage structure constituting a silicon clathrate material. Yes, the electronic properties of the resulting compound can be changed from semiconductor to metal properties by controlling the amount of alkali metal introduced, depending on the amount of carrier introduced, but the main electronic properties are clathrate networks. It is almost completely determined by the structure.

【0007】従って、制御された物性の多様性を十分に
利用できる可能性は少なく、エレクトロニクスの分野で
広く活用されることは望めなかった。そのために、ナノ
構造を制御できる有望な材料系であるにも係わらず、こ
れらの報告が行われて以来20年以上を経過しても、そ
の材料の親展には大きな変化は期待できなかった。
[0007] Therefore, there is little possibility that the variety of controlled physical properties can be fully utilized, and it has not been expected that it will be widely used in the field of electronics. For this reason, despite the fact that it is a promising material system capable of controlling the nanostructure, no significant change was expected in the confidentiality of the material even after more than 20 years since these reports were made.

【0008】ところが最近、Si20クラスター内部に内
包されるアルカリ金属元素であるNaおよびK以外に
も、アルカリ土類元素であるBaがSi24クラスター内
部に内包されたNa2 Ba6 Si46が合成できることが
報告された(山中等、フラーレン サイエンス アンド
テクノロジー、3巻、21頁、1995年)。
However, recently, in addition to the alkali metal elements Na and K contained in the Si 20 cluster, Na 2 Ba 6 Si 46 in which the alkaline earth element Ba is contained in the Si 24 cluster is synthesized. It was reported that it could be done (Yamanaka et al., Fullerene Science and Technology, Vol. 3, p. 21, 1995).

【0009】また、高圧下では、Ba8 Si46が合成で
きることも最近報告されている。この事実は、本発明の
ナノ材料をエレクトロニクス分野で応用する可能性があ
ることを示したものとして注目される。なぜならば、ア
ルカリ土類元素を用いた場合には、アルカリ土類元素の
d軌道とSi46クラスレートの価電子帯を形成する軌道
とが混成して、得られるナノ結晶の電子状態を大きく変
化させることが可能となるからである。実際に、アルカ
リ土類元素が導入されていないシリコンクラスレートの
場合には超伝導物性は発現しないが、Baが導入された
シリコンクラスレートの場合には金属および超伝導物性
が観測される。
It has also recently been reported that Ba 8 Si 46 can be synthesized under high pressure. This fact is noted as an indication that the nanomaterials of the present invention have potential applications in the electronics field. This is because, when an alkaline earth element is used, the d orbital of the alkaline earth element and the orbital forming the valence band of the Si 46 clathrate are hybridized, and the electronic state of the obtained nanocrystal is greatly changed. This is because it is possible to make it possible. Actually, in the case of a silicon clathrate into which an alkaline earth element is not introduced, superconductivity is not exhibited, but in the case of a silicon clathrate into which Ba is introduced, metal and superconductivity are observed.

【0010】このような超伝導物性はドーピングを施し
た場合でも通常のダイヤモンド構造のシリコン結晶では
観測されない、クラスレート特有の物性である。この特
性は、アルカリ土類元素の導入で生じるバンド構造の変
化によって発現したものと解釈されている。
[0010] Such superconductivity is a characteristic characteristic of clathrate which is not observed in a normal silicon crystal having a diamond structure even when doped. This property is interpreted as being exhibited by a change in band structure caused by the introduction of an alkaline earth element.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】このような状況を考え
ると、IV族クラスレート物質に種々の電子機能を付け加
えて、広くエレクトロニクスの分野で活用するために
は、Baだけではなく、他の種々の元素、特に磁性金属
元素をIV族クラスレートに導入し、物性の多様性、材料
設計制御の高精度性を図る必要があった。
In view of such a situation, in order to add various electronic functions to the group IV clathrate material and utilize it widely in the field of electronics, not only Ba but also various other substances are required. It was necessary to introduce various elements, especially magnetic metal elements, into the group IV clathrate to achieve a variety of physical properties and high precision in material design control.

【0012】しかし、これまでのところ、そのようなク
ラスレート物質の合成の報告が無く、一般的に、これ以
上シリコンまたはゲルマニウムクラスレートの実現およ
びその物性の多様性とそれを実現するため材料設計制御
の高精度性は望めないと考えられていた。
However, there has been no report on the synthesis of such a clathrate material so far, and in general, the realization of silicon or germanium clathrate and the diversification of its physical properties and material design for realizing it have not been reported. It was thought that high accuracy of control could not be expected.

【0013】本発明は、上記問題点を除去し、従来のシ
リコン結晶またはゲルマニウム結晶とはそれぞれ結合様
式が全く異なり、その基本構造を変化させることなく、
その物性を大きく変化させることができる、シリコンお
よびゲルマニウムクラスレート化合物およびその製造方
法を提供することを目的とする。
The present invention eliminates the above problems and has completely different bonding modes from conventional silicon crystals or germanium crystals without changing the basic structure thereof.
An object of the present invention is to provide a silicon and germanium clathrate compound that can greatly change its physical properties and a method for producing the same.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕構成単位がシリコンおよびゲルマニウム(Si、
Ge)元素のクラスターである(SiあるいはGeある
いはその混合物)20と(SiあるいはGeあるいはその
混合物)24で構成される多面体クラスターを構成単位と
するクラスレート化合物において、d−電子系元素ある
いはf−電子系元素、あるいはその混合物を含むことを
特徴とする。
According to the present invention, in order to achieve the above object, [1] the structural unit is composed of silicon and germanium (Si,
In a clathrate compound having a polyhedral cluster composed of (Si or Ge or a mixture thereof) 20 and (Si or Ge or a mixture thereof) 24 as a cluster of Ge) elements, a d-electron element or f- It is characterized by containing an electronic element or a mixture thereof.

【0015】〔2〕構成単位がSiのクラスターである
(Si、Ge)20と(Si、Ge) 24を基本に構成され
るクラスレート化合物において、(Si、Ge)20およ
び(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaを有し、
(Si、Ge)20および(Si、Ge)24のクラスター
を結ぶ位置にd−電子系元素としてMnを含む一般式B
8 Mnx(Tr)y(Si、Ge)40+zの組成、こ
こでTrは遷移金属を表わしx、y、zはx+y+z≦
6を満たす正の整数であることを特徴とする。
[2] The structural unit is a cluster of Si
(Si, Ge)20And (Si, Ge) twenty fourIs based on
(Si, Ge)20And
And (Si, Ge)twenty fourHas Ba inside the cluster of
(Si, Ge)20And (Si, Ge)twenty fourCluster of
General formula B containing Mn as a d-electron element at the position connecting
a8Mnx (Tr) y (Si, Ge)40+ Z composition
Here, Tr represents a transition metal, and x, y, and z are x + y + z ≦
6 is a positive integer.

【0016】〔3〕構成単位がSiのクラスターである
(Si、Ge)20と(Si、Ge) 24を基本に構成され
るクラスレート化合物において、(Si、Ge)20およ
び(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaとCeを
有し、一般式(Ce、Ba) 8 (Tr)x(Si、G
e)40の組成で表され、一般式(Ba、Ce)8 (T
r)x(Si、Ge)40+yの組成、ここでTrは遷移
金属を表わし、x、yはx+y≦6を満たす正の整数で
ある、ことを特徴とする。
[3] The structural unit is a cluster of Si
(Si, Ge)20And (Si, Ge) twenty fourIs based on
(Si, Ge)20And
And (Si, Ge)twenty fourBa and Ce inside the cluster
Having the general formula (Ce, Ba) 8(Tr) x (Si, G
e)40And represented by the general formula (Ba, Ce)8(T
r) x (Si, Ge)40+ Y composition, where Tr is transition
Represents a metal, x and y are positive integers satisfying x + y ≦ 6
There is a feature.

【0017】〔4〕シリコンおよびゲルマニウムクラス
レート化合物の製造方法において、構成単位がシリコン
およびゲルマニウム(Si、Ge)元素のクラスターで
ある(SiあるいはGeあるいはその混合物)20と(S
iあるいはGeあるいはその混合物)24で構成される多
面体クラスターを構成単位とするクラスレート化合物に
d−、f−電子系元素を導入するにあたり、d−、f−
電子系元素の分量を結晶格子単位当たり2個から4個程
度に抑え、次に、高周波加熱およびアルゴンプラズマ下
で十分に溶融加熱し合成することを特徴とする。
[4] In the method for producing a silicon and germanium clathrate compound, the structural unit is a cluster of silicon and germanium (Si, Ge) elements (Si or Ge or a mixture thereof) 20 and (S
i or Ge or a mixture thereof) When introducing d- and f-electron elements into a clathrate compound having a polyhedral cluster composed of 24 as a constituent unit, d- and f-
It is characterized in that the amount of the electron-based element is suppressed to about 2 to 4 per crystal lattice unit, and then the composition is melted and heated sufficiently under high-frequency heating and argon plasma.

【0018】〔5〕上記〔4〕記載のシリコンおよびゲ
ルマニウムクラスレート化合物の製造方法において、遷
移金属を同時に混合することにより、d−電子系/f−
電子系およびSiおよびGeクラスレート化合物の安定
化を図ることを特徴とする。
[5] In the method for producing a silicon and germanium clathrate compound according to the above [4], the d-electron system / f-
It is characterized by stabilizing the electronic system and the Si and Ge clathrate compounds.

【0019】すなわち、SiおよびGeの12面体なら
びに14面体から構成されるクラスレート化合物にd−
磁気電子、f−磁気電子を結晶格子に組み込んだクラス
レート化合物を用いることにより、磁性物性を大きく変
化させることができるナノ構造を有する新物質を作り出
せすことができる。
That is, the clathrate compound composed of Si and Ge dodecahedral and tetradecahedral d-
By using a clathrate compound in which magnetic electrons and f-magnetic electrons are incorporated in a crystal lattice, a new substance having a nanostructure capable of greatly changing magnetic properties can be produced.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail.

【0021】本発明にかかるクラスレート化合物の構成
は、 〔1〕構成単位がシリコンおよびゲルマニウム(Si、
Ge)元素のクラスターである(SiあるいはGeある
いはその混合物)20と(SiあるいはGeあるいはその
混合物)24で構成される多面体クラスターを構成単位と
するクラスレート化合物において、d−あるいはf−電
子系元素、あるいはその混合物を含む。
The clathrate compound according to the present invention has the following structure: [1] The structural unit is silicon and germanium (Si,
In the clathrate compound having a polyhedral cluster composed of (Si or Ge or a mixture thereof) 20 and (Si or Ge or a mixture thereof) 24 as a cluster of Ge) elements, a d- or f-electron element Or mixtures thereof.

【0022】すなわち、SiまたはGeの12面体なら
びに14面体から構成されるクラスレート化合物にd−
電子系元素、f−電子系元素、あるいはその混合物を結
晶格子に組み込むことを特徴とするクラスレート化合物
を提供する。
That is, a clathrate compound composed of dodecahedral and tetradecahedral Si or Ge
A clathrate compound characterized by incorporating an electron element, an f-electron element, or a mixture thereof into a crystal lattice.

【0023】〔2〕構成単位がシリコンのクラスターで
ある(Si、Ge)20と(Si、Ge)24を基本に構成
されるクラスレート化合物において、(Si、Ge)20
および(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaを有
し、(Si、Ge)20および(Si、Ge)24のクラス
ターを結ぶ位置にd−電子系元素としてMnを含む一般
式Ba8 Mnx(Tr)y(Si、Ge)40+zの組
成、ここでTrは遷移金属を表わしx、y、zはx+y
+z≦6を満たす正の整数である。
[2] In a clathrate compound whose structural unit is basically composed of (Si, Ge) 20 and (Si, Ge) 24 which are clusters of silicon, (Si, Ge) 20
And (Si, Ge) having a Ba within the 24 cluster, (Si, Ge) 20 and (Si, Ge) general formula Ba 8 containing Mn as d- electron system element to a position connecting the clusters 24 Mnx (Tr) y (Si, Ge) 40 + z composition, where Tr represents a transition metal and x, y, z are x + y
It is a positive integer satisfying + z ≦ 6.

【0024】すなわち、SiまたはGeの12面体なら
びに14面体から構成されるクラスレート化合物の内部
にBaを有し、クラスターを結ぶ位置にd−電子系元素
としてMnを含む一般式Ba8 Mnx(Tr)y(S
i、Ge)40+zの組成、ここでTrは遷移金属を表わ
しx、y、zはx+y+z≦6を満たす正の整数である
ことを特徴とするクラスレート化合物を提供する。
That is, a general formula Ba 8 Mnx (Tr) having Ba inside a clathrate compound composed of Si or Ge dodecahedron and tetrahedron and containing Mn as a d-electron element at a position connecting the clusters. ) Y (S
i, Ge) 40 + z, wherein Tr represents a transition metal, and x, y, and z are positive integers satisfying x + y + z ≦ 6.

【0025】〔3〕構成単位がSiのクラスターである
(Si、Ge)20と(Si、Ge) 24を基本に構成され
るクラスレート化合物において、(Si、Ge)20およ
び(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaとCeを
有し、一般式(Ce、Ba) 8 (Tr)x(Si、G
e)40の組成で表され、一般式(Ba、Ce)8 (T
r)x(Si、Ge)40+yの組成、ここでTrは遷移
金属を表わし、x、yはx+y≦6を満たす正の整数で
ある。
[3] Structural unit is a cluster of Si
(Si, Ge)20And (Si, Ge) twenty fourIs based on
(Si, Ge)20And
And (Si, Ge)twenty fourBa and Ce inside the cluster
Having the general formula (Ce, Ba) 8(Tr) x (Si, G
e)40And represented by the general formula (Ba, Ce)8(T
r) x (Si, Ge)40+ Y composition, where Tr is transition
Represents a metal, x and y are positive integers satisfying x + y ≦ 6
is there.

【0026】すなわち、SiまたはGeの12面体なら
びに14面体から構成されるクラスレート化合物の内部
にBaとCeを有し、一般式(Ce、Ba)8 (Tr)
x(Si、Ge)40の組成で表され、一般式(Ba、C
e)8 (Tr)x(Si、Ge)40+yの組成、ここで
Trは遷移金属を表わし、x、yはx+y≦6を満たす
正の整数であることを特徴とするクラスレート化合物を
提供する。
That is, a clathrate compound composed of a dodecahedral and a tetrahedral Si or Ge has Ba and Ce inside, and has a general formula (Ce, Ba) 8 (Tr)
x (Si, Ge) 40 and represented by the general formula (Ba, C
e) A clathrate compound characterized by the composition of 8 (Tr) x (Si, Ge) 40 + y, wherein Tr represents a transition metal, and x and y are positive integers satisfying x + y≤6. I do.

【0027】これらの化合物においては、シリコン元素
およびゲルマニウム元素の結合様式はそれぞれ従来のシ
リコン結晶およびゲルマニウム結晶にみられるsp3結
合様式ではなく、マジックナンバーである20および2
4個のシリコン元素およびゲルマニウム元素から構成さ
れるシリコンおよびゲルマニウムクラスター単位がそれ
ぞれの結晶の構成単位になることを反映して、sp3と
sp2の中間に位置する特別な結合様式をとっている。
また、本発明のクラスレート化合物は、それぞれ(Si
/Ge)20あるいは(Si/Ge)24クラスターの中に
アルカリ土類元素が内包されるか、Ce元素が内包され
るという特別な結合様式で取り込まれた形をしている。
In these compounds, the bonding mode of the silicon element and the germanium element is not the sp3 bonding mode found in the conventional silicon crystal and germanium crystal, but is the magic numbers 20 and 2 respectively.
Reflecting that the silicon and germanium cluster units composed of four silicon elements and germanium elements become the constituent units of each crystal, a special bonding mode located between sp3 and sp2 is adopted.
In addition, the clathrate compounds of the present invention each include (Si
(Ge) 20 or (Si / Ge) 24 clusters have a form in which an alkaline earth element is included or a Ce element is included in a special bonding mode.

【0028】これまで、このような構造に取り込むこと
のできるアルカリ土類元素Aeとしては、Siの場合は
Baだけと考えられており、実際に、他の元素ではこの
ようなクラスレート化合物は実験的にも存在しなかっ
た。また、Ceを導入する場合に必要なAu元素は、
(Si/Ge)20クラスターを結合させる結晶学的に6
eと呼ばれる位置に導入される。Mnを用いた場合は、
Mnは6eの位置に導入される。
Until now, the only alkaline earth element Ae that can be incorporated into such a structure is considered to be Ba in the case of Si, and such clathrate compounds are actually used in other elements. Did not exist. The Au element necessary for introducing Ce is as follows:
(Si / Ge) Crystallographically 6 binding 20 clusters
introduced at a location called e. When Mn is used,
Mn is introduced at the position 6e.

【0029】本発明は、これらのクラスレート化合物が
所望とする組成の物質を混合して、高周波加熱装置でア
ルゴン等の不活性雰囲気下で溶融加熱した後で、アルゴ
ンプラズマで再加熱処理することで作り出されることを
見出した。
According to the present invention, these clathrate compounds are mixed with substances having a desired composition, melt-heated in an inert atmosphere such as argon with a high-frequency heating device, and then reheated with argon plasma. Found to be produced by

【0030】図1は本発明にかかる合成されたシリコン
クラスレート化合物の結晶構造を示す図であり、図1
(a)はシリコン20とシリコン24のクラスレート化合物
の結晶構造を示す図、図1(b)はそのシリコンクラス
レート化合物にAuの遷移金属およびBa,Ceを同時
に混合するクラスレート化合物の結晶構造を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing the crystal structure of the synthesized silicon clathrate compound according to the present invention.
FIG. 1 (a) is a diagram showing the crystal structure of a clathrate compound of silicon 20 and silicon 24 , and FIG. 1 (b) is a crystal structure of a clathrate compound in which a transition metal of Au and Ba and Ce are simultaneously mixed into the silicon clathrate compound. FIG.

【0031】基本的には、d−、f−電子系元素はSi
ならびにGe元素から構成されるクラスレート構造には
導入することは困難であるが、その分量を結晶格子単位
当たり2個から4個程度に抑え、しかも、高周波加熱お
よびアルゴンプラズマ下で十分に溶融加熱する過程を経
ると、シリコンおよびゲルマニウム化合物を合成できる
ことを新たに見出した。
Basically, the d- and f-electron elements are Si
In addition, it is difficult to introduce it into a clathrate structure composed of Ge elements, but the amount is limited to about 2 to 4 per crystal lattice unit, and further, it is sufficiently melted and heated under high frequency heating and argon plasma. It has been newly found that silicon and germanium compounds can be synthesized through the process of the above.

【0032】また、場合によっては、Au,Cu,Ag
等の遷移金属を同時に混合することで、d−/f−電子
系およびSiおよびGeクラスレート構造が安定になる
ことを見出した。
In some cases, Au, Cu, Ag
It has been found that the d- / f-electron system and the Si and Ge clathrate structures can be stabilized by mixing transition metals such as these at the same time.

【0033】さらに、本発明のクラスレート化合物の物
性を検討したところ、7Kで強磁性転移を生じるという
興味深い結果が得られた。
Further, when the physical properties of the clathrate compound of the present invention were examined, an interesting result that ferromagnetic transition occurred at 7K was obtained.

【0034】このように、Ba以外にf−(および/あ
るいは)d−電子系元素を含むこれらSi/Geクラス
レート化合物は、ダイヤモンド構造を有する従来のSi
/Ge結晶とは異なり、Siクラスレートの特異な結合
様式により本質的に分散の狭いバンド構造を示す。この
バンド構造は、Baのd軌道とSiクラスレートのバン
ドを形成する軌道との混成により大きく変調を受けるこ
とが可能である。さらに、Baから導入された伝導電子
がd−/f−電子系元素の磁性電子と相互作用する過程
を通じて、新規な磁性および電気伝導現象が発現するこ
とが期待される。
As described above, these Si / Ge clathrate compounds containing an f- (and / or) d-electron element in addition to Ba are the same as those of the conventional Si having a diamond structure.
Unlike the / Ge crystal, it exhibits an essentially narrow band structure due to the specific binding mode of Si clathrate. This band structure can be greatly modulated by a hybrid of the d orbital of Ba and the orbital forming the band of Si clathrate. Further, it is expected that a novel magnetic and electric conduction phenomenon will be exhibited through a process in which conduction electrons introduced from Ba interact with magnetic electrons of d- / f-electron elements.

【0035】従って、従来のSi結晶とは異なり同じ物
質でドーピングの制御により、絶縁体から種々のバンド
ギャップを有する半導体、さらには金属および超伝導
体、強磁性および反強磁性に及ぶまでその物性を変化さ
せることができる。
Therefore, unlike the conventional Si crystal, by controlling the doping with the same substance, the physical properties of the material range from insulators to semiconductors having various band gaps, as well as metals and superconductors, ferromagnetic and antiferromagnetic. Can be changed.

【0036】このことは、Siという自然界における存
在比の多い元素を利用して、高機能の電子素子を作成で
きる可能性を示している。また、バンド分散の狭い特徴
は、外部からの作用に対する変化が極めて鋭敏であり、
このような物性によって従来にないセンシング機能ある
いは従来の材料より大きな磁気抵抗変化(例えば、巨大
磁気抵抗)特性などが発現する。
This indicates that a highly functional electronic element can be manufactured using Si, an element having a high abundance ratio in the natural world. In addition, the narrow band dispersion feature is very sensitive to changes from outside,
Due to such physical properties, an unprecedented sensing function or a magnetoresistance change (eg, giant magnetoresistance) characteristic larger than that of a conventional material is developed.

【0037】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【0039】(A)自然界に豊富にあるSiまたはGe
を用いて、シリコンクラスレートまたはゲルマニウムク
ラスレートという従来のSi結晶またはGe結晶とはそ
れぞれ大きく異なる構造を基本構造にもつ素材におい
て、絶縁体から種々のバンドギャップを有する半導体、
更に金属あるいは超伝導体、また強磁性ならび反強磁性
と大きくその物性を変化させることのできるクラスレー
ト化合物を提供することができる。
(A) Si or Ge abundant in nature
Using a silicon clathrate or germanium clathrate in a material having a basic structure that is significantly different from a conventional Si crystal or Ge crystal, respectively, a semiconductor having various band gaps from an insulator,
Further, it is possible to provide a clathrate compound that can greatly change its physical properties such as a metal or a superconductor, and a ferromagnetic and an antiferromagnetic.

【0040】一つの材料から、このように幅広く物性変
化させることができることは、低価格で電子素子を作る
ことにつながり産業上の意義は極めて大きい。
The fact that the physical properties can be widely changed from one material in this way leads to the production of an electronic device at a low price, and is of great industrial significance.

【0041】また、これら、本発明のクラスレート化合
物に特徴的な分散の狭いバンド構造は、従来よりも外部
からの変化に対し大きな磁気および電子伝導度の変化を
示す可能性があり、特にその特性を利用したセンサーや
磁気抵抗素子に関するエレクトロニクス分野におけるイ
ンパクトが大きい。
The band structure having a narrow dispersion characteristic of the clathrate compound of the present invention may show a larger change in magnetic and electronic conductivity with respect to a change from the outside than in the past. The impact in the electronics field on sensors and magnetoresistive elements using characteristics is great.

【0042】特に、自然界に豊富にあるSiまたはGe
と公害の問題が極めて少なく、量も豊富であるアルカリ
金属元素およびアルカリ土類元素を用いて、絶縁体から
種々のバンドギャップを有する半導体、更に金属に至る
までその物性を大きく変化させることのできるクラスレ
ート化合物を提供したものである。一つの材料で、この
ように幅広く、その物性を変化させることができること
は、工業的に低価格で電子素子を作ることにつながる。
In particular, Si or Ge, which is abundant in nature,
With the use of alkali metal elements and alkaline earth elements, which have a very small amount of pollution and abundant amounts, the physical properties of insulators, semiconductors with various band gaps, and even metals can be significantly changed. This provides a clathrate compound. Being able to change the physical properties of such a wide range with one material leads to industrially low-cost production of electronic elements.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかる合成されたシリコンクラスレー
ト化合物の結晶構造を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a crystal structure of a synthesized silicon clathrate compound according to the present invention.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 構成単位がシリコンおよびゲルマニウム
(Si、Ge)元素のクラスターである(Siあるいは
Geあるいはその混合物)20と(SiあるいはGeある
いはその混合物)24で構成される多面体クラスターを構
成単位とするクラスレート化合物において、d−電子系
元素あるいはf−電子系元素、あるいはその混合物を含
むことを特徴とするシリコンおよびゲルマニウムクラス
レート化合物。
1. A polyhedral cluster composed of (Si or Ge or a mixture thereof) 20 and (Si or Ge or a mixture thereof) 24 whose constituent units are clusters of silicon and germanium (Si, Ge) elements. A silicon and germanium clathrate compound comprising a d-electron element, an f-electron element, or a mixture thereof.
【請求項2】 構成単位がSiのクラスターである(S
i、Ge)20と(Si、Ge)24を基本に構成されるク
ラスレート化合物において、(Si、Ge) 20および
(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaを有し、
(Si、Ge)20および(Si、Ge)24のクラスター
を結ぶ位置にd−電子系元素としてMnを含む一般式B
8 Mnx(Tr)y(Si、Ge)40+zの組成、こ
こでTrは遷移金属を表わしx、y、zはx+y+z≦
6を満たす正の整数であることを特徴とするシリコンお
よびゲルマニウムクラスレート化合物。
2. The structural unit is a cluster of Si (S
i, Ge)20And (Si, Ge)twenty fourBased on
In the lathrate compound, (Si, Ge) 20and
(Si, Ge)twenty fourHas Ba inside the cluster of
(Si, Ge)20And (Si, Ge)twenty fourCluster of
General formula B containing Mn as a d-electron element at the position connecting
a8Mnx (Tr) y (Si, Ge)40+ Z composition
Here, Tr represents a transition metal, and x, y, and z are x + y + z ≦
6 is a positive integer satisfying 6
And germanium clathrate compounds.
【請求項3】 構成単位がSiのクラスターである(S
i、Ge)20と(Si、Ge)24を基本に構成されるク
ラスレート化合物において、(Si、Ge) 20および
(Si、Ge)24のクラスターの内部にBaとCeを有
し、一般式(Ce、Ba)8 (Tr)x(Si、Ge)
40の組成で表され、一般式(Ba、Ce)8 (Tr)x
(Si、Ge)40+yの組成、ここでTrは遷移金属を
表わし、x、yはx+y≦6を満たす正の整数であるこ
とを特徴とするシリコンおよびゲルマニウムクラスレー
ト化合物。
3. The structural unit is a cluster of Si (S
i, Ge)20And (Si, Ge)twenty fourBased on
In the lathrate compound, (Si, Ge) 20and
(Si, Ge)twenty fourBa and Ce inside the cluster
And the general formula (Ce, Ba)8(Tr) x (Si, Ge)
40And represented by the general formula (Ba, Ce)8(Tr) x
(Si, Ge)40+ Y composition, where Tr is the transition metal
X and y are positive integers satisfying x + y ≦ 6.
Silicon and germanium clasley characterized by
Compound.
【請求項4】 シリコンおよびゲルマニウムクラスレー
ト化合物の製造方法において、構成単位がシリコンおよ
びゲルマニウム(Si、Ge)元素のクラスターである
(SiあるいはGeあるいはその混合物)20と(Siあ
るいはGeあるいはその混合物)24で構成される多面体
クラスターを構成単位とするクラスレート化合物にd−
電子系元素、f−電子系元素を導入するにあたり、前記
d−電子系元素、f−電子系元素の分量を結晶格子単位
当たり2個から4個程度に抑え、次に、高周波加熱およ
びアルゴンプラズマ下で十分に溶融加熱し合成すること
を特徴とするシリコンおよびゲルマニウムクラスレート
化合物の製造方法。
4. A method for producing a silicon and germanium clathrate compound, wherein the constituent units are clusters of silicon and germanium (Si, Ge) elements (Si or Ge or a mixture thereof) 20 and (Si or Ge or a mixture thereof) Clathrate compounds containing polyhedral clusters composed of 24
When introducing the electron element and the f-electron element, the amount of the d-electron element and the f-electron element is suppressed from 2 to 4 per crystal lattice unit. A method for producing a silicon and germanium clathrate compound, wherein the composition is melted and heated sufficiently to synthesize.
【請求項5】 請求項4記載のシリコンおよびゲルマニ
ウムクラスレート化合物の製造方法において、遷移金属
を同時に混合することにより、d−電子系/f−電子系
およびSiおよびGeクラスレート化合物の安定化を図
ることを特徴とするシリコンおよびゲルマニウムクラス
レート化合物の製造方法。
5. The method for producing a silicon and germanium clathrate compound according to claim 4, wherein the d-electron system / f-electron system and the Si and Ge clathrate compounds are stabilized by simultaneously mixing transition metals. A method for producing a silicon and germanium clathrate compound, characterized in that:
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