2018 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ加工を用いた1次元量子ナノワイヤー熱電変換素子の巨大ゼーベック効果機構解明
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18H01698
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
長谷川 靖洋 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 彰 東京大学, 物性研究所, 助教 (20260515)
村田 正行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80717695)
小峰 啓史 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (90361287)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノワイヤー / 熱電変換 / ゼーベック係数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
石英ガラスに封入された単結晶Biナノワイヤー熱電変換素子の物性測定を行うために、集束イオンビームを用いたナノ加工による局所電極形成を経て４端子測定を行ってきた。これまでに抵抗率，磁気抵抗，ホール係数測定など、等温条件下での物性測定を実施してきたが、ゼーベック係数やネルンスト係数などの温度勾配が存在する場での物性測定は困難であった。この問題を克服するために、ナノワイヤー素子の設置方法を検討し直し、数mmを有する石英ガラスの長さ方向に温度差を与え、長さ方向にゼーベック係数測定が可能であるかの検証を行った。この実験検討を行う際に、数百nmのワイヤー直径を持つワイヤー素子であると、予期しない他の現象を測定する可能性があるため、まずはワイヤー直径1.9μmを有するマイクロワイヤー熱電変換素子を用いることで、バルクBi材料との性能比較ができ、測定に間違いの無いことが実証できる。
以上のような背景を下に、長さ1.626mm，ワイヤー直径1.90μmの単結晶単一マイクロワイヤー熱電変換素子へのナノ加工を用いた局所電極の作製を得て、抵抗率，磁気抵抗，ホール係数に加えて、ゼーベック係数，ネルンスト係数測定の測定を試みた。期待通り、ワイヤーを覆う石英ガラスによる温度勾配が得られ、ゼーベック係数はBiバルク材料と同等となり、ワイヤー長さ方向の温度勾配と、各局所電極からの熱起電力からでもゼーベック係数測定が可能であることを実証した。ネルンスト係数については、常温あたりでは小さいことが予想されており、検出すべき電圧が1nV程度であったため、現時点での測定が困難であった。
以上結果ともに、緩和近似・低磁場近似・放物型２バンドモデルを適用した解析を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
巨大ゼーベック効果を測定するためのナノ加工，サンプルセッティングの準備完了し、狙っているワイヤー直径は異なるものの、４端子測定によるゼーベック係数が出来たことは、ワイヤー直径がより小さい，つまりより大きなインピーダンスを持つ素子においても、局所電極間の長さを調整することでゼーベック係数測定が可能であることを示している。これまでに培ったナノ加工技術と測定技術を組み合わせることで、巨大ゼーベック効果の実証を目指すことが可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
300Kでの解析は既に終了して、現在、温度依存性の解析を進めている。その一方、低温領域になるとキャリアの平均自由行程制限が発生することから、キャリアの散乱機構が大きく変化すると予想される。これまでの解析モデルでは常に音響フォノン散乱を仮定してきたが、平均自由行程制限はキャリアがワイヤー側面での境界条件で大きく散乱することを意味することから、イオン化不純物散乱のような振る舞いをすることが予想される。ただし、Bi材料の散乱機構を包括的に調査されたことが無いことから、別途、バルクBiを用いた実験的な散乱プロセスの温度依存性の検討を進めている。
これと並行し、量子効果の導入が期待されるワイヤー直径200nm程度のサンプルを用いたナノ加工の実証，物性測定を進めていく。加えて、0.3K以下の量子振動実験に向け、適したサンプル準備を進めていく。
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