本研究の目的は、フェルミ準位を挟んで鋭い擬ギャップを持つと理論的に予測され,特異な電気伝導現象と大きな熱起電力を示すことが最近報告されたホイスラー型Fe_2VAl系金属間化合物について、光電子分光と逆光電子分光を併用してその占有・非占有電子状態を共に測定し、この物質の電気伝導機構に関わるフェルミ準位近傍の電子状態と熱電特性の関係を実験的に明らかにすることである。これにより、この合金系が示す特異な電気伝導現象の発現機構を解明し、熱電特性向上のための新しい指針を確立する。
本研究では、ホイスラー型Fe_2VAlとこれよりAl組成あるいはV組成をずらした(Fe_<2/3>V_<1/3>)_<100-y>Al_yFe_<2-x>V_<1+x>Alおよび第4元素を添加したFe_2VAl_<1-z>Si_zについて電子構造を調べた。その結果、擬ギャップの存在と擬ギャップとフェルミ準位の位置関係がこの合金系の熱起電力の大きさと符号に関与していることを実験的に初めて示した。フェルミ準位近傍の電子構造の変化は、(Fe_<2/3>V_<1/3>)_<100-y>Al_yFe_<2-x>V_<1+x>AlとFe_2VAl_<1-z>Si_zでは擬ギャップをもつ半金属的電子構造から予測される剛体バンドモデルで説明できるが、Fe_<2-x>V_<1+x>Alの変化は剛体バンドモデルでは説明できない。この相違は、価電子としてsp電子をもつAlやSiと異なり、FeおよびVがフェルミ準位近傍に5電子状態を持つことに起因し、一方、これはこの合金系で遷移金属組成を変化させた際に見られる電気抵抗増大の因であると考えられる。したがって、ホイスラー型Fe_2VAl系金属間化合物では、僅かな組成制御によるフェルミ準位制御でp型あるいはn型の大きな熱電能を得ることができるが、熱電特性向上にはフェルミ準位近傍のd電子状態の制御が重要であり、第4元素の添加による電子構造制御およびミクロな構造制御による熱伝導度制御が有効と考えられる。