2022 Fiscal Year Research-status Report
強磁性窒化鉄薄膜への第三元素添加と多層構造化による異常ネルンスト効果の増大
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21K04859
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊藤 啓太 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (70791763)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 異常ネルンスト効果 / 窒化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Fe4Nに第三元素を添加した単結晶薄膜を作製し、フェルミ準位制御、多層構造化を通じて、異常ネルンスト効果を利用した熱電変換素子の実用化への指標である、室温で10 μV/Kを超える異常ネルンスト係数の達成を目的としている。
令和4年度は、分子線エピタキシー法により、Fe4-xCoxN薄膜およびFe4-xMnxN薄膜を成膜し、異常ネルンスト効果の評価に取り組んだ。反射高速電子回折およびX線回折測定により構造を評価した結果、エピタキシャル成長を確認できた。しかし、Fe4-xCoxN薄膜については、Co組成比が増加するにつれて窒素が脱離しやすくなる傾向が見られ、Co4N薄膜の作製は実現できなかった。作製した試料を微細加工によりホールバー形状に加工し、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果、異常ホール効果を評価した。結果、CoおよびMn添加量の増加に伴い、異常ネルンスト係数が減少した。これは、第三元素添加による横熱電伝導度の減少に起因しており、Fe4NへのCoおよびMn添加では、異常ネルンスト効果は増強できないことが分かった。
上記に加えて、積層数を変えてFe4NとMgOの多層膜を作製し、異常ネルンスト係数の積層数依存性を調べた。分子線エピタキシー法により多層膜をエピタキシャル成長し、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果、異常ホール効果を評価した。結果、積層数の変化に応じて、異常ネルンスト係数が変化する傾向が見られ、最大で単層Fe4N薄膜の1.4倍程度の異常ネルンスト係数の増大を確認できた。これは、Fe4NとMgOの界面効果によるものと考えられるが、詳細なメカニズムは不明である。今後は、より細かく積層数を変えた多層膜を作製し、異常ネルンスト係数の更なる増大と、そのメカニズムの解明を目指す。
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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
Fe4-xCoxN薄膜およびFe4-xMnxN薄膜の作製と異常ネルンスト効果の評価に成功したことに加え、最終年度での実施を計画していた多層膜の作製と、異常ネルンスト効果の評価にも前倒しで取り組めたため、当初の計画以上の進展があったと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度は、より細かく積層数を変えたFe4NとMgOの多層膜を作製し、異常ネルンスト係数の増大を目指す。加えて、当初の研究計画に従い、Pt等のMgO以外の非磁性体材料との組み合わせによる多層膜を作製し、異常ネルンスト効果の更なる増大を目指す。
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| Causes of Carryover |
海外で開催される国際学会へのオンサイトでの参加を断念し、旅費を使用しなかったため、次年度使用額が生じた。来年度の学会参加旅費の一部として使用する予定である。
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