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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

研究課題

研究課題/領域番号 18J20748
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 構造・機能材料
研究機関埼玉大学

研究代表者

大塚 美緒子  埼玉大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2020年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードビスマスワイヤー / 抵抗率 / ゼーベック係数 / 輸送特性 / 散乱因子 / 平均自由行程 / 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 / Biワイヤー / Biナノワイヤー / 1次元量子Biナノワイヤー / ナノ電極
研究実績の概要

抵抗率およびゼーベック係数の4端子測定が終了している直径1.9μmのBiマイクロワイヤーの結晶方向をX線回折により特定した上で熱電物性の輸送特性評価を行った。使用する計算プログラムを見直し、輸送係数から計算した電気伝導度テンソルを用いて解析を試みた。結果、抵抗率は平均自由行程の大きさの影響を受けやすい一方、ゼーベック係数は散乱係数への依存性が大きいことが分かった。解析結果をふまえ、電子とホールの平均自由行程の大きさが等しいことを仮定し、キャリアの真性条件の下、抵抗率の実験値から平均自由行程の大きさを見積もり、ゼーベック係数から散乱因子の値を見積もった。結果、平均自由行程は300-150K程度の温度領域ではワイヤー直径と同等の大きさとなり、その後20Kでワイヤー直径の1/3程度の大きさとなるまで減少した。また、散乱因子の値は温度減少に伴って音響フォノン散乱からイオン化不純物散乱へと遷移するような傾向が見られた。
磁場に関する物性値を評価するため、電気伝導度テンソルに磁場に関する項を含めることで計算プログラムを改良し、特定の結晶方向に従ったホール係数の計算を行った。結果、解析値は実験値の傾向とも一致したが、実験値のホール係数を完全に再現することは困難であった。これは、キャリア密度等に使用している文献値や、実験に使用したBiワイヤーの正確なキャリア密度の特定が難しいことに大きく依存していると考えられる。
以上のような実験値の解析により、Biワイヤーにおいて散乱過程が温度によって変化する可能性があることが詳細なモデルを用いて示すことができた。また、平均自由行程に温度依存性を含ませることによって、抵抗率の低温における上昇傾向の説明を可能にした。以上の結果をふまえ、同様な現象が1次元量子Biナノワイヤーにおいても発現することを加味した上で今後の実験・解析の方向性を示唆することができた。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Ohio State University/University of California, Riverside(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Temperature dependence of carrier scattering in polycrystalline bismuth2019

    • 著者名/発表者名
      Arisaka Taichi、Otsuka Mioko、Tokitani Masayuki、Hasegawa Yasuhiro
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 126 号: 8 ページ: 085101-085101

    • DOI

      10.1063/1.5110254

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous transport coefficient measurements for an individual bismuth wire embedded in a quartz template applying nano-fabrication2019

    • 著者名/発表者名
      Morita Hiroyuki、Arisaka Taichi、Otsuka Mioko、Hasegawa Yasuhiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 号: 1 ページ: 011008-011008

    • DOI

      10.7567/1882-0786/aaf629

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature dependence of dimensionless figure of merit of a thermoelectric module estimated by impedance spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Hasegawa Yasuhiro、Otsuka Mioko
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 8 号: 7 ページ: 075222-075222

    • DOI

      10.1063/1.5040181

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Investigation of carrier scattering process in polycrystalline bulk bismuth at 300?K2018

    • 著者名/発表者名
      Arisaka Taichi、Otsuka Mioko、Hasegawa Yasuhiro
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 123 号: 23 ページ: 235107-235107

    • DOI

      10.1063/1.5032137

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Confinement effects, surface effects, and transport in Bi and Bi1-x Sbx semiconducting and semimetallic nanowires2018

    • 著者名/発表者名
      Vandaele K、Otsuka M、Hasegawa Y、Heremans J P
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 30 号: 40 ページ: 403001-403001

    • DOI

      10.1088/1361-648x/aada9b

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 2点IS法によるバルクBi2Te3熱電変換素子のzTの温度依存性測定2020

    • 著者名/発表者名
      大塚美緒子、長谷川靖洋
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Measurement and characterization of transport property for Bi wire2019

    • 著者名/発表者名
      Mioko Otsuka, Yasuhiro Hasegawa
    • 学会等名
      European Materials Research Society, Spring meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Temperature dependence of resistivity in bismuth wire by varying scattering process2019

    • 著者名/発表者名
      Mioko Otsuka, Yasuhiro Hasegawa
    • 学会等名
      The 38th International Conference on Thermoelectronics 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bi人工結晶作製をテーマにした4年間の研究アウトリーチ活動報告2019

    • 著者名/発表者名
      大塚美緒子
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Measurement and characterization of transport property for Bi wire2019

    • 著者名/発表者名
      Mioko Otsuka
    • 学会等名
      European Materials Research Society 2019 Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Temperature dependence of thermal conductivity and specific heat of bulk Bi2Te3 material measured by impedance spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Mioko Otsuka
    • 学会等名
      38th International conference on thermoelectronics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] インピーダンススペクトロスコピー法に基づいた熱電変換モジュールの無次元性能指数zT の評価2018

    • 著者名/発表者名
      大塚美緒子
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋期学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] IS 法に基づいた熱電変換モジュールの無次元性能指数決定方法2018

    • 著者名/発表者名
      大塚美緒子
    • 学会等名
      第15回日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] インピーダンススペクトロスコピー法に基づいた熱電変換モジュールの過渡応答に対するzTと熱電変換効率の評価2018

    • 著者名/発表者名
      大塚美緒子
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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