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2011 年度 実施状況報告書

収束イオンビームを用いたナノワイヤー熱電変換素子へのナノ電極形成・輸送特性の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23560828
研究機関埼玉大学

研究代表者

長谷川 靖洋  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)

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) 2011-04-28 – 2014-03-31
キーワードナノワイヤー熱電変換素子 / 収束イオンビーム / 電極接合 / 国際研究者交流(アメリカ)
研究概要

申請者が作製しているナノワイヤー熱電変換素子は、素子全体が石英ガラスで覆われており1)FIBからのGaイオンビームが直接Biナノワイヤーに照射されず,2)ワイヤー表面の酸化膜の影響を無視できる。そこで FIBを利用してナノワイヤー側部にナノ加工を行い、従来不可能であったナノワイヤー側面へ局所的な電極を取り付ける。 具体的な加工手順として、(1)円筒形の石英ガラスの片側をワイヤーとの距離3μm程度まで研磨によって削り落とす。(2) FIBを照射しつつ石英ガラスをスパッタリングしていく。ワイヤーと石英ガラスの厚さが約300nm程度になるとBiとガラスの二次電子放出率の違いにより、ワイヤーを全く露出させずワイヤー位置を予測することが可能となる。(3)予測したワイヤー位置の脇の石英ガラスをFIBによって除去し、(4)傾斜をかけ非常にゆっくりとFIBを照射する。(5)その結果、ワイヤーの側面が局所的に露出する。(6)局所的にワイヤー側部を露出させた後、FIBを用いてカーボン薄膜を蒸着し、電極接合を行う。(7)石英上部に予め電極パッドを成膜しておき、最終的にワイヤー側面部との配線を行う。以上の加工を収束イオンビームを用いて行い、電極接合を確認した。当初、FIB中の電極材料としてカーボンを選択して、カーボン配線を用いて導通を撮ろうとした所、予想以上に抵抗が大きくなり、電気測定を行う上では問題が残った。そのため、FIB加工後、局所的にカーボン電極を蒸着し、Bi表面が酸化しないようにし、大気解放してタングステン蒸着が扱えるFIBを用いて、タングステン配線を行った上で問題なく導通が得られることを実験的に確認した。 平成23年度は、米国の大学に渡航し集中して装置を利用し以上の加工プロセスを確立した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初予定したとおりに電極加工ができ、通電の確認も行った。電極接合手法の確立については、平成24年度を予定していたものの、前倒しで計画が実行できた。

今後の研究の推進方策

電極接合が可能となったため、平成24年度は実際にホール測定などを行う予定である。ここで、単結晶Biの物性値を使って評価すると、ナノワイヤー熱電変換素子を用いたホール電圧はワイヤーの直径に反比例するため、直径1μmでは数nV,直径100nmでは数十nVの電圧を測定する必要がある。通常の直流法では測定が困難であるため、直流磁場と数~数十ガウス程度の交流磁場を印加し、ロックインアンプを使った高感度交流磁場測定システムの開発を行い、サブnVの感度で電圧を測定するシステムを整備する。

次年度の研究費の使用計画

加工プロセスが確立したことから、月に1度程度、物質・材料研究機構,理化学研究所,東京大学が所有する収束イオンビームを利用することを予定しており、平成24年度の予算については、この装置利用料などに当てる予定である。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Thermoelectric propeties for single crystal bismuth nanowires using a mean free path limitation model2011

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

      Journal of Applied Physics

      巻: 110 ページ: 053702 1-6

    • DOI

      10.1063/1.3630014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal orientation and transport properties of a 633-nm-diameter bismuth nanowire2011

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Hasegawa, Daiki Nakamura, Masayuki Murata, Hiroya Yamamoto, Takashi Komine, Takashi Taguchi and Shinichiro Nakamura
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: 40 ページ: 1005-1009

    • DOI

      10.1007/s11664-010-1480-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reduction of temperature fluctuation within low temperature region using a cryocooler2011

    • 著者名/発表者名
      Daiki Nakamura,Yasuhiro Hasegawa, Masayuki Murata, HiroyaYamamoto, Fumiaki Tsunemi, Takashi Komine
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 82 ページ: 044903 1-4

    • DOI

      10.1063/1.3581211

    • 査読あり
  • [学会発表] 石英ガラス中のBiナノワイヤー上へのホール測定用局所電極の形成2012

    • 著者名/発表者名
      村田正行,山本浩也,常見文昭,長谷川靖洋,小峰啓史
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] 集束イオンビーム加工を利用したBiナノワイヤー熱電変換素子の4端子測定2011

    • 著者名/発表者名
      村田 正行、山本 浩也、常見 文昭、長谷川 靖洋、小峰 啓史
    • 学会等名
      第八回日本熱電学会学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2011年8月9日
  • [学会発表] Four- wire resistance measurements on bismuth nanowire encased in quartz template utilizing focused ion beam processing2011

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Murata, Daiki Nakamura, Hiroya Yamamoto, Fumiaki Tsunemi, Yasuhiro Hasegawa, Takashi Komine
    • 学会等名
      30th International Conference on Thermoelectrics
    • 発表場所
      Grand Traverse Resort Traverse City, Michigan USA
    • 年月日
      2011年7月19日
  • [学会発表] 単結晶ビスマスナノワイヤーのShubnikov-de Haas振動2011

    • 著者名/発表者名
      常見文昭,村田正行,長谷川靖洋,小峰啓史,遠藤彰
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      富山大学
    • 年月日
      2011-09-23
  • [学会発表] ビスマスナノワイヤーの量子化磁場下での熱電特性の理論計算2011

    • 著者名/発表者名
      平山尚美,遠藤彰,藤田和博,長谷川靖洋,羽田野直道,中村浩章,白崎良演,米満賢治
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      富山大学
    • 年月日
      2011-09-23

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公開日: 2013-07-10  

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