2019 Fiscal Year Annual Research Report
１次元量子Ｂｉナノワイヤー熱電変換素子の巨大ゼーベック効果実証とその機構解明
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18J20748
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
大塚 美緒子 埼玉大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | ビスマス / ナノワイヤー / 4端子測定 / インピーダンススペクトロスコピー法 / 熱電変換材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度から引き続き行っていた、2端子法でのBiナノワイヤー熱電変換素子の物性測定のための電極膜蒸着の前処理過程であるワイヤー端面研磨について、自動研磨装置を用いた最適条件の探索を行った。結果、研磨材の粒子をより細かいものに変更し濃度を調整することで、直径200nm程度のBiナノワイヤーに対して石英ガラスとBiを同時に平滑化する事に成功した。しかし、同条件は直径100nm程度のBiワイヤーには適しておらず、引き続き自動研磨機の回転速度・研磨時間・研磨材粒子のサイズおよび濃度の調整が必要であると考える。
また、直径1.9マイクロメートルのBiナノワイヤーを対象に行った抵抗率温度依存性の4端子測定から、温度係数が低温で上昇することが結果として得られていたが、昨年度はモデル計算による再現ができていなかった。しかし、Biワイヤー中の散乱機構が温度によって変化していることを仮定して計算を行った結果、低温で温度係数が上昇する傾向を説明することができた。ここでは、1次元量子Biナノワイヤーの量子効果のモデルを検討する前段階として、1次元状態密度が導入されていないバクルの性質を有するマイクロワイヤーを対象に、量子効果によらない物理現象を把握することができた。マイクロワイヤーに関しては当初の研究計画では対象としていなかったが、今回、ワイヤー形状のBiについて新たに考慮すべき仮定として散乱パラメータに着目することができたため、今後のナノワイヤーの解析にも応用可能であると考える。本研究成果については2020年にアメリカで開催されるInternational Conference on Thermoelectronics 2020（2020年3月末に中止が決定）での発表を計画しており、Abstractの提出を行った。また、国際学術論文の出版も計画中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
4端子法でのBiナノワイヤー熱電変換素子の物性測定に関して、400nmの直径を有するサンプルでナノ加工を進めたが、使用したサンプルに2端子法用の加工を繰り返し施していたことで不純物が混じっており、純粋なBiの物性を測定することができなかった。しかし、本サンプルを用いて測定機器の整備を進めることで、これまで問題となっていた測定時の静電気発生による電極破損を解決した。さらに、測定中に発生するノイズを最小化することで測定精度を向上させた。引き続き数百ナノメートルのスケールを有するBiナノワイヤーに対して、4端子測定用のナノ加工および物性測定が必要となるが、今回、測定システムの改良を行ったことによって物性測定時にサンプルが壊れることなく実験を進める準備が整った。
Biナノワイヤーの研究が難航する一方、昨年度に引き続き、インピーダンススペクトロスコピー法（IS法）を用いた熱電変換材料の物性評価に関する研究を進めることができた。Bi2Te3バルク試料を対象に無次元性能指数zTおよび抵抗率の温度依存性を測定し、定常法での測定結果と一致することを確認した。zT評価の高効率化を図り、インピーダンス測定時の最適な電流周波数に着目して２点IS法を提案し、国際学術論文を投稿中である。2点IS法では設定電流周波数に起因する測定誤差を明確にすると同時に、これまで複数の測定点を必要としていた近似によってzTを算出する手法とは異なり、評価のための測定点を2点に限定することで測定時間の大幅な短縮への貢献が期待される。
以上のように、当初予期していなかった不純物の混入により、Biナノワイヤーについての研究は計画よりもやや遅れていると判断できるが、インピーダンススペクトロスコピー法に関する研究がまとまってきており、想定外の成果も得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ワイヤー直径500～100nm程度のBiナノワイヤーについて4端子測定用の加工を施し、ゼーベック係数、抵抗率およびホール係数等の物性測定を行う。昨年度の経験を通して、測定機器の環境整備がよりいっそう進み、高精度な測定が可能となったため、複数のワイヤーサンプル作成および測定解析を進める。しかしながら、昨今の社会情勢の関係で、本格的な実験再開の目処がたつまでは、昨年度の研究成果である、直径1.9マイクロメートルのビスマスワイヤーに関して国際論文の執筆・投稿を行う。さらに、既に実験結果が得られているインピーダンススペクトロスコピー法を用いた熱電変換材料の評価方法についても、2点IS法の確立に向けた考察を深め、論文出版にあたっての作業を進める。なお、２点IS法については、2020年9月にスペインで開催されるEuropean Conference on Thermoelectronics 2020での発表を計画しており、公益財団法人立石科学技術振興財団2020年度前期国際交流助成からも内定を頂き、国際会議発表へ向けての海外渡航支援を受ける予定である。
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