| 研究課題/領域番号 |
17KK0088
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| 研究機関 | 学習院大学 |
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研究代表者 |
町田 洋 学習院大学, 理学部, 教授 (40514740)
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| 研究期間 (年度) |
2018 – 2022
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| キーワード | ゼーベック効果 / 黒リン |
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| 研究実績の概要 |
本課題は、固体結晶中においてフォノンがあたかも流体のように熱を輸送するフォノンの流体力学的熱輸送が、フォノンドラッグ効果を通じて熱電効果に与える影響を明らかにすることを目的とし、フォノン流体性質をもつナローギャップ半導体の黒リンに注目して研究を行っている。
本年度は、昨年度常圧から1.7GPaの圧力範囲を最小で0.05GPaの刻みで取得した黒リンの圧力下ゼーベック係数の測定結果の解析に努めた。測定結果の特徴の一つは、半金属状態においてゼーベック係数の符号が変わるとともに絶対値が2桁近くも減少する急激な変化を示すことである。解析の結果、半金属状態における各圧力下でのゼーベック係数は低温で温度に比例して変化しており、通常の金属に期待される振る舞いと同じであることが分かった。このことは黒リンが半金属状態で有するディラック的なバンド分散が、熱電効果に異常な振る舞いをもたらさないことを意味している。一方で、ゼーベック係数の温度Tに対する比例係数は、半金属状態で圧力によって2桁に及ぶ急激な変化を示すが、このような変化は他の実験から得られている電子、ホール各キャリアーの移動度とキャリアー密度ならびにフェルミエネルギーの圧力変化を2バンドモデルを用いて再現を試みても再現できないことが分かった。したがって実験結果の理解には単純な2バンドモデルを越えた解析が必要であることが分かった。またゼーベック係数が急激な圧力変化を示す圧力領域では、電気抵抗率の温度依存性の解析から、イオン化不純物散乱が支配的な領域から電子―電子散乱が支配的な領域への移行も同時に起こっていることが分かった。今後はこのような電荷キャリアーの散乱機構の変化がキャリアーの緩和時間のエネルギー依存性における冪乗則の変化を通じて、ゼーベック係数に与える影響を明らかにしていく。
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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
本年度は、昨年度常圧から1.7GPaの圧力範囲を最小で0.05GPaの刻みで取得した黒リンの圧力下ゼーベック係数の測定結果の解析に努めた。半金属状態においてゼーベック係数の符号が変わるとともに絶対値が2桁近くも急激に変化する実験結果を、電子、ホール各キャリアーの移動度とキャリアー密度ならびにフェルミエネルギーの圧力変化を考慮に入れて2バンドモデルで解析を行ったところ、このような単純な2バンドモデルでは実験結果を再現できないことが明らかとなった。ゼーベック係数が急激な変化を示す圧力領域では同時に、イオン化不純物散乱が支配的な領域から電子―電子散乱が支配的な領域への移行も起こっているため、実験結果の理解には電荷キャリアーの散乱機構の変化も取り入れる必要性を明確にすることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
黒リンの半金属状態におけるゼーベック係数の急激な圧力変化の解釈には、電子・ホールの2キャリーモデルを越えた解析が必要であることが分かったので、今後はゼーベック係数の変化と同時に起こっている電荷キャリアーの散乱機構の変化も考慮に入れた解析を進め、実験結果の全容解明に努める。
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