| 研究課題/領域番号 |
17H02928
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
清水 直 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (60595932)
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| 研究分担者 |
塩貝 純一 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30734066)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 物性実験 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / 電界効果 / 超伝導 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は二次元熱電半導体材料の研究・探索を行う。本研究の対象物質であるFeSeは、FeとSeから構成される層がファンデルワールス力で積み重なる理想的な二次元層状構造をとる。このFeSeの単層膜は超伝導転移温度が60~100ケルビンにも達する高温超伝導体であることが知られている。すなわち、熱電特性と電気伝導特性の両面で優れた二次元熱電材料である可能性がある。平成30年度は、イオン液体中におけるFeSe薄膜および関連物質の熱電効果測定を中心とした研究を行った。より具体的には、以下の研究を行った。
1) FeSe薄膜に対してイオン液体中で電気化学エッチングを行い、薄膜試料の厚みを制御しながら熱起電力の測定を行なった。イオン液体の凍る200ケルビンでは、試料の厚みの減少とともに熱起電力が大きく増大し、最大でエッチング前の100倍程度に達することがわかった。また、試料を薄くしていくとFeSe薄膜は高温超伝導状態になるため、高い電気伝導度も示すようになる。これらの特徴は、大きな熱電出力因子（熱起電力の二乗に比例し、また電気伝導度に比例する）を得る上で有利な性質である。実際に出力因子の温度依存性を測定したところ、超伝導転移温度直上の50ケルビンにおいて、最大の出力因子を示すことがわかった。
2) 本研究ではFeSe薄膜は酸化物基板上に成膜される。上記1) で報告した高い熱起電力に対する基板の影響を検討するため、二種類の酸化物基板を用いた実験を行なった。一つはSrTiO3基板、もう一つはKTaO3基板である。それぞれの基板上に厚さ20ナノメートル程度のFeSe薄膜を成膜し、電気化学エッチングを行いながら熱起電力を測定したところ、どちらの基板上でも膜厚の現象に伴う熱起電力の増大を観測した。すなわち、熱起電力の増大は基板の影響ではなく、薄膜物質の電子状態の変化が原因であることがわかった。
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| 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
平成30年度には、本研究課題で最も重要と位置付けているFeSe極薄膜の熱電効果測定を大きく進展させることができた。イオン液体中で薄膜試料をエッチングしながら熱電効果測定を行うことで、熱電特性の詳細な膜厚依存性を明らかにした。また、室温付近から10ケルビンの温度範囲において熱電特性の温度依存性を調べることで、最大の出力因子を明らかにすることができた。さらに、研究の過程で、熱起電力の測定値における基板の影響の有無をしらべる必要が出てきた。そのため、二種類の基板上にFeSe薄膜を成膜し、それらの熱起電力測定を行なったところ、基板の影響は無視できることがわかった。この追加実験の結果が得られたことで、本研究課題の結果の正当性が一層確かなものになった。
このように、平成30年度の研究計画に含まれている実験を、おおよそスケジュール通りに進めることができたため、本研究の進展具合は「当初の計画どおりに進展している」と考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度は順調に研究を行うことができ、これまでの研究計画は予定通りに進行していると考えている。平成31年度の実験は、平成30年度までの結果を土台とするものであるが、いまのところ計画の変更などの問題はない。
平成３１年度は前年度までと異なり、超伝導マグネットを用いた強磁場中での測定を開始する。そのため、新しい測定プログラムの構築や、トランジスタのデバイス構造の変更が必要になる。このようなセットアップの構築を31年度前半で完了させ、31年度後半は試料の測定に集中する。
また、協力体制については、研究代表者と分担者は電子メールや電話での日常的なディスカッションを行う環境にあり、また学会等での出張先では積極的に直接顔をあわせてディスカッションを行った。平成31年度は最終年度であるので、研究目標の達成へむけて研究スピードを加速させるためにも、お互いの実験施設に出向いたディスカッションの回数を増やし、また定期的に行う。平成31年度も研究者間の密な交流を継続する。
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