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2016 年度 実施状況報告書

ディラック電子系に対する量子ドット導入による熱電性能の増強

研究課題

研究課題/領域番号 15K05120
研究機関茨城大学

研究代表者

青野 友祐  茨城大学, 工学部, 准教授 (20322662)

研究分担者 小峰 啓史  茨城大学, 工学部, 准教授 (90361287)
研究期間 (年度) 2015-10-21 – 2019-03-31
キーワード熱電効果 / 量子微細構造 / 界面効果
研究実績の概要

本研究課題の中心課題となる、質量のないディラック電子系中の量子ドット構造における熱電特性について議論を行った。質量のないディラック電子系を電極とする量子ドット系においては、量子ドットと電極のトンネル結合が、ディラック電子の状態密度を反映した擬ギャップ構造を持つ。このため、量子ドットの局所状態密度に鋭いピーク構造が生じ、熱電特性が通常半導体中の量子ドットと比べて大きく異なることを示した。まず、熱電性能指数とゼーベック係数の最大値は、温度によらずに一定値となることがわかった。性能指数の最大値は1よりもずっと大きく、ゼーベック係数も500マイクロボルト/K程度の大きな値をとり、優れた熱電特性を示すことがわかった。これらの結果は、通常の量子ドット系においては、低温になるにつれて熱電特性が悪くなることと対照的である。ディラック電子のフェルミエネルギーがディラック点から離れた場合についても、フェルミエネルギーとディラック点のエネルギー差よりも大きな温度領域では、上記の熱電特性が保たれることがわかった。
石英テンプレート内に封入されたビスマスナノワイヤでのホール効果について議論を行った。封入されたビスマスナノワイヤ表面の側面に電極を取り付けることによりホール測定を行うことがはじめて可能となった。その結果、ワイヤ中の電子およびホールのホール移動度は、バルク結晶のときよりも低くなり、低温ではその違いが顕著になることがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ディラック電子系における熱電効果について解明することを目的としているが、平成28年度は予定していた研究計画についてすべて着手して、成果を上げることができたため。

今後の研究の推進方策

昨年度は、研究課題が計画通り進展したことから、今後も研究計画に基づき研究を遂行する。ビスマス系薄膜における電子状態や熱電特性の解析を進めていき、量子ドット構造における熱電特性の解析をひきつづき進めていく予定である。

次年度使用額が生じた理由

旅費に予定していた一部が次年度に繰越となった。

次年度使用額の使用計画

主として研究打ち合わせや学会発表のための旅費や計算機環境の補強のために使用していく予定である。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 7件)

  • [雑誌論文] Fabrication of a Nanoscale Electrical Contact on a Bismuth Nanowire Encapsulated in a Quartz Template by Using FIB-SEM2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Murata, Atsushi Yamamoto, Yasuhiro Hasegawa, Takashi Komine
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: 46 ページ: 2782-2789

    • DOI

      10.1007/s11664-016-4968-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental and Theoretical Evaluations of the Galvanomagnetic Effect in an Individual Bismuth Nanowire2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Murata, Atsushi Yamamoto, Yasuhiro Hasegawa, and Takashi Komine
    • 雑誌名

      Nano Lett

      巻: 17 ページ: 110-119

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.6b03592

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Theoretical modeling of electrical resistivity and Seebeck coefficient of bismuth nanowires by considering carrier mean free path limitation2017

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Murata, Atsushi Yamamoto, Yasuhiro Hasegawa, Takashi Komine, and Akira Endo
    • 雑誌名

      J Appl Phys

      巻: 121 ページ: 014303/1-10

    • DOI

      10.1063/1.4973191

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Giant thermoelectric figure of merit in a noninteracting quantum dot system with massless Dirac fermions.2016

    • 著者名/発表者名
      Tomosuke Aono and Takashi Komine
    • 雑誌名

      Phys Rev B

      巻: 94 ページ: 165311/1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.94.165311

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Anomalous Nernst Effect of Perpendicularly Magnetic Anisotropy TbFeCo Thin Films2016

    • 著者名/発表者名
      Ryo Ando, Takashi Komine, and Yasuhiro Hasegawa
    • 雑誌名

      Journal of Elec Materi

      巻: 45 ページ: 3570-3575

    • DOI

      10.1007/s11664-016-4537-y

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 磁場中の量子ポイントコンタクトにおける電子状態と電気伝導 II2017

    • 著者名/発表者名
      青野友祐,川村稔,大野圭司,Peter Stano,小峰啓史
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学 (大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] ビスマスの格子変形がバンド構造および輸送特性に及ぼす影響2017

    • 著者名/発表者名
      小峰啓史,青野友祐,村田正行,長谷川靖洋
    • 学会等名
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(横浜市・西区)
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-20
  • [学会発表] ビスマスの格子変形が輸送特性に及ぼす影響2016

    • 著者名/発表者名
      小峰啓史,青野友祐,村田正行,長谷川靖洋
    • 学会等名
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟市・中央区)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 石英ガラス中の直径110 nm Biナノワイヤーへの端部電極形成2016

    • 著者名/発表者名
      村田正行,山本淳,長谷川靖洋,小峰啓史
    • 学会等名
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟市・中央区)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 磁場中の量子ポイントコンタクトにおける電子状態と電気伝導2016

    • 著者名/発表者名
      青野友祐、川村稔、大野圭司、小峰啓史
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] BiSb合金薄膜の表面電子状態のタイトバインディング法による数値解析2016

    • 著者名/発表者名
      永井潤也, 澤田雄大, 小峰啓史, 青野友祐
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] BiSb合金薄膜の表面電子状態のタイトバインディング法による数値解析II2016

    • 著者名/発表者名
      澤田雄大, 永井潤也, 小峰啓史, 青野友祐
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 直径 110 nm Biナノワイヤーの熱電物性測定2016

    • 著者名/発表者名
      村田正行,山本淳,長谷川靖洋,小峰啓史
    • 学会等名
      第十三回日本熱電学会学術講演会(TSJ2016)
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(葛飾区・新宿)
    • 年月日
      2016-09-05 – 2016-09-07
  • [学会発表] Current-driven dynamical nuclear spin polarization in a semiconductor quantum point contact2016

    • 著者名/発表者名
      Minoru Kawamura, Keiji Ono, Peter Stano, Kimitoshi Kono, Tomosuke Aono
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      神戸コンベンションセンター(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Tight-binding model analysis on surface spin states of bismuth-antimony alloy thin films2016

    • 著者名/発表者名
      J. Nagai, Y. Sawada, T. Komine, T. Aono
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      神戸コンベンションセンター(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Surface spin states of bismuth thin films: a tight-binding analysis2016

    • 著者名/発表者名
      K. Saito, H. Sawahata, J. Nagai, Y. Sawada, T. Komine, T. Aono
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • 発表場所
      神戸コンベンションセンター(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic states of bismuth thin films: a tight-binding analysis2016

    • 著者名/発表者名
      K. Saito, H. Sawahata, J. Nagai, Y. Sawada, T. Komine, and T. Aono
    • 学会等名
      The 22nd International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics
    • 発表場所
      定山渓ビューホテル (北海道・札幌市)
    • 年月日
      2016-07-24 – 2016-07-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Tight-Binding Theory of Surface Spin States on Bismuth Thin Films2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuo Saito, Hirokatsu Sawahata, Takashi Komine, and Tomosuke Aono
    • 学会等名
      Frontiers in Quantum Materials and Devices Workshop FQMD2016
    • 発表場所
      RIKEN (埼玉県・和光市)
    • 年月日
      2016-06-13 – 2016-06-14
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of surface states in Bi nanostructure2016

    • 著者名/発表者名
      T. Komine, T. Aono, M. Murata, Y. Hasegawa
    • 学会等名
      35th annual international conference on thermoelectrics & 1st asian conference on thermoelectrics (ICT & ACT 2016)
    • 発表場所
      Wuhan, China
    • 年月日
      2016-05-29 – 2016-06-02
    • 国際学会
  • [学会発表] Nano-scale electrical contact onto 110 nm Bi nanowire encapsulated in quartz template utilizing FIB-SEM2016

    • 著者名/発表者名
      M. Murata, A. Yamamoto, Y. Hasegawa, T. Komine
    • 学会等名
      35th annual international conference on thermoelectrics & 1st asian conference on thermoelectrics (ICT & ACT 2016)
    • 発表場所
      Wuhan, China
    • 年月日
      2016-05-29 – 2016-06-02
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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