2021 Fiscal Year Research-status Report
久保・ラッティンジャー理論による熱電ナノ材料戦略の具現化
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20K15117
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
松原 愛帆 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 助教 (20867832)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 二層グラフェン / カーボンナノチューブ / パワーファクター / 久保・ラッティンジャー理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和３年度は，フレキシブルな２次元ナノ材料である２層グラフェン（BLG）に着目し，その熱電性能を久保・ラッティンジャー理論を用いて定性的かつ定量的に評価した．
まず，BLGの熱電性能，特にパワーファクター（PF）が，化学ポテンシャル（μ）一定の条件下において，ある温度で最大となることを明らかにした．また，温度一定の条件下では，PFを最大化する最適なμが存在することを示した．これは熱励起されたホールと電子が互いの影響を打ち消し合うことに起因しており，価電子帯と伝導帯の間の熱励起を考慮することの重要性を示唆している．また，BLGは外部から垂直電場(E)を印加することでバンドギャップが形成され，そのバンド端には１次元系と類似の状態密度の急峻な変化が現れる．そこで，この状態密度の変化がBLGの熱電性能に及ぼす影響を調査した．その際，エネルギーに反比例する緩和時間を導入することで，BLGの実験データ（E=0）と良い一致を示すことを確認した．BLGのPFは，μがバンド端近傍にある場合，垂直電場を印加することで単調に増加することが明らかとなった．また，Eの大きさ毎にPFを最大化する最適なμが存在することも示した．これにより，例えば室温において，E=0.35V/nmを印加した場合，μを最適化することでPFは20mW/(K^2m)に到達する．これは電場を印加しなかった場合のPFのおよそ３倍に相当する．
また，不純物ドープカーボンナノチューブ（CNT）の熱電性能の最適化について，直径の異なるCNTに対して網羅的な調査を行った．その結果，直径の減少に伴いPFの最大値が指数関数的に増加することを明らかにした．これは直径の減少，すなわちバンドギャップの増加に伴い，価電子帯から伝導帯へ熱励起されるキャリア数が抑制されるためである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，２次元材料である２層グラフェンに外部から垂直電場を印加することによって，熱電性能が向上することを定量的な値を用いて明らかにし，さらにその熱電性能は化学ポテンシャルを調整することで最適化されることを示した．これは，本研究目的の１つである，外部パラメータによる熱電性能の制御に関して具体的な指針を提示している．さらに現在，強相関電子系を想定したモデルに対して，久保・ラッティンジャー理論を用い，熱電性能の評価・検討を行なっている．
よって，本研究は当初の計画以上に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までのところ，本研究課題は当初計画の通りに進捗している．
今年度は，様々な直径のカーボンナノチューブに対する熱電性能を調査した研究成果をまとめ，発表を行う．また，強相関電子系を想定したモデルの熱電性能について研究を進めていく．
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスの影響により当初参加を予定していた国内外の学会や国際会議が延期となり，令和4年度に学会参加費，旅費を繰越す必要性が生じた．
次年度使用額は，令和4年度の学会の参加費，旅費，パソコンの購入等に用いる予定である．
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