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2016 年度 実施状況報告書

トポロジカル絶縁体中転位を利用した新規高性能熱電変換材料の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K14371
研究機関東京大学

研究代表者

枝川 圭一  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20223654)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワードトポロジカル絶縁体 / 転位 / 熱電変換材料
研究実績の概要

本年度はBi-Sb系においてi)ブリッジマン法による単結晶作製、ii)塑性変形による転位の導入、iii)電子顕微鏡を用いた転位の型および転位組織の評価、iv)電気伝導測定、を行った。まずi)については高周波溶解法により、母合金を作製し、ブリッジマン法で単結晶作製を行った。単結晶性はX線ラウエ法で確認した。またEPMA法により組成分析を行った。数cmにわたって、組成ゆらぎのない単結晶試料が得られたことが確認された。ii)については、理論的に転位状態が形成するとされるバーガースベクトルの転位を導入するためには、主すべり系を抑えて副すべり系を活動させる必要がある。このため、主すべり系のシュミット因子が0となる方位近傍の圧縮軸で変形を行った。iii)については透過電子顕微鏡観察により直線性のよい転位が10の10乗から11乗(cm-2)の密度で導入されていることがわかった。その直線の方向はほぼそろっていた。またg-b解析によりバーガースベクトルを求め、これが転位状態を形成する条件を満たすことがわかった。転位線方向とbの方向は垂直であり、刃状転位であることがわかった。iv)については本学共通施設の低温センターの装置を用いて2~300Kの温度範囲で、転位線方向とそれに垂直な方向で電気抵抗率測定を行った。100~300Kの範囲では両方で顕著な違いはみられなかったが、100K以下で大きく異なるふるまいがみられた。転位線垂直方向では電気抵抗率は温度下降にともなって急激に上昇する一方転位線平行方向ではほぼ頭打ちとなり、2Kで約2倍の抵抗率値の違いが見出された。この違いは転位上に伝導状態が形成されたことを示唆している。Landauer-Buttikerの理論的枠組みで解析したところ、得られた抵抗値の異方性の大きさが妥当であることが示された。得られた結果をまとめ論文を作成した。

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

9の研究実績の概要に記したように昨年度はi)ブリッジマン法による単結晶作製、ii)塑性変形による転位の導入、iii)電子顕微鏡を用いた転位の型および転位組織の評価、iv)電気伝導測定、を行い、最終的にiv)の電気伝導測定によって転位伝導を観測することに成功し、論文を投稿することができた。但し、当初はconductive-AFMを用いて、転位伝導を観測することを計画していた。これについてはバルクの抵抗値が十分でないため、今のところ成功していない。そのかわり、マクロな電気伝導測定ではあるが、転位線方向に対して平行・垂直の方向で測定することにより、転位伝導に起因すると思われる異方性を観測することに成功した。方法は当初計画とは異なるが、転位伝導の観測という目的は達せられ、投稿論文にまとめることができたので、おおむね順調に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

今後は、熱伝導度(κ)、ゼーベック係数(S)の測定を行い、電気伝導度(σ)の測定結果と合わせてZT値の評価を行う。ここで、Z=(σS2/κ) である。電気伝導度とゼーベック係数は真空理工製のゼーベック係数測定装置(電気伝導度と同時測定可能)を用いて測定する。この装置は東大新領域研究科木村薫研所有のもので、借用する。熱伝導度はやはり木村研所有の熱拡散率測定装置を借用して測定する。
また、当初計画に入れていなかったが、Pb-(Bi,Sb)-Te系で同様な実験を行う。現在までに約40種の系で3次元トポロジカル絶縁体の形成が報告されているが、転位状態が形成し得るトポロジカル指数をもつものは限られており、Bi-Sb系以外ではPb-(Bi,Sb)-Te系がほぼ唯一の系である。Bi-Sb系にとどまらず、この系でも実験を行うことは有意義である。まずブリッジマン法を用いて単結晶を作製する。Pb-(Bi,Sb)-Te系は包晶反応で生成するため大きな単結晶を作製することが困難である。できるだけ単結晶のサイズが大きくなるように組成と引き下げ速度を最適化する。作製した試料をX線ラウエ法によって単結晶性を評価し、粉末X線回折法により結晶の質を評価する。またEPMA法により組成分析する。状態図から液相組成と析出する固相組成がかなり離れており、得られた単結晶に濃度勾配が生ずることが予測される。目標とする組成となっている箇所を切り出して、塑性変形による転位の導入、電子顕微鏡を用いた転位の型および転位組織の評価、電気伝導測定をBi-Sb系と同様に行う。
得られた結果を国内外の学会で発表し、論文にまとめる。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Dislocation conduction in Bi-Sb topological insulators2017

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Hamasaki, Yuki Tokumoto, and Keiichi Edagawa
    • 雑誌名

      APPLIED PHYSICS LETTERS

      巻: 110 ページ: 092105

    • DOI

      10.1063/1.4977839

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Pb(Bi,Sb)2Te4トポロジカル絶縁体の熱電特性2017

    • 著者名/発表者名
      上山僚介, 服部裕也, 徳本有紀, 枝川圭一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年春期(第160回)講演大会
    • 発表場所
      首都大学東京 南大沢キャンパス
    • 年月日
      2017-09-17
  • [学会発表] Pb(Bi,Sb)2Te4トポロジカル絶縁体の作製と電気伝導2017

    • 著者名/発表者名
      服部裕也, 上山僚介, 徳本有紀, 枝川圭一
    • 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 豊中キャンパス
    • 年月日
      2017-03-17
  • [学会発表] Bi-Sbトポロジカル絶縁体中転位の評価と電気伝導22017

    • 著者名/発表者名
      濱崎拡, 徳本有紀, 枝川圭一
    • 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 豊中キャンパス
    • 年月日
      2017-03-17
  • [学会発表] Bi-Sbトポロジカル絶縁体中転位の評価と電気伝導異方性2016

    • 著者名/発表者名
      濱崎拡, 大江杏奈, 徳本有紀, 枝川圭一
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス
    • 年月日
      2016-09-15
  • [学会発表] Pb-(Bi,Sb)-Teトポロジカル絶縁体の結晶作製と評価2016

    • 著者名/発表者名
      服部裕也, 市川和樹, 徳本有紀, 枝川圭一
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス
    • 年月日
      2016-09-13
  • [備考] 東京大学生産技術研究所 枝川研究室

    • URL

      http://www.edalabo.iis.u-tokyo.ac.jp

URL: 

公開日: 2018-01-16  

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