2021 Fiscal Year Research-status Report
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17K06303
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山田 和正 九州大学, 理学研究院, 助教 (30380562)
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2017-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | カーボン / スピン / ゼーベック / 熱電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
モバイルコンピューティングおよびユビキタス社会実現のために、温度差を利用した環境発電が期待されている。その方法としてスピンを利用したスピンゼーベック効果が発見された。しかし、熱伝導率の大きな無機材料を使用しているため、無駄に熱を伝えるため、効率が良くない。そこで、性能向上のため、有機導電性高分子をスピン伝導層として使用する有機スピン依存ゼーベック素子を提案する。有機はスピン緩和長が長く、よくスピン流を伝達するこができる。有機を使うことで、重金属などの使用を減らし、環境負荷を下げることができる。
本年度は、非晶質CoFeAlを強磁性層とし、カーボンを有機伝導層、Ptをスピン流変換層とし、微細加工によりクロスバー構造を持つ有機スピンゼーベック素子を作成した。Ptの逆スピンホール効果は大きく、スピン流変換層として適している。有機層なしのCoFeAl/Ptクロスバーにおいて、Ptのスピン流変換によりCoFeAl層からの熱スピン流注入効果を観測できた。CoFeAl層をジュール加熱し、CoFeAl層から有機層（Carbon)に熱スピン注入を試みたが、有機層を経由したスピン流は観測されていない。Carbon層のアニールを行い、特性の向上を試みたが、結果は同様であり、有機層を経由したスピン流は検出できていない。当該年度に成膜されたカーボン膜のスピン緩和長は短いと考えられる。カーボン膜中のダングリングボンド中のスピンと相互作用しスピンを緩和が起きるために、スピン緩和長を短くしているのではないかと考えられる。
有機ELの発光においてスピン緩和は重要である。有機中のスピン緩和機構を解明により、有機ELの発光効率改良に関する知見が得られると期待される。生体は有機でできており、このスピン緩和に関する知見は、ＭＲＩなどの医療物理学に貢献すると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当該年度は、非晶質CoFeAlを強磁性層とし、カーボンを有機伝導層、Ptをスピン流変換層とし、微細加工によりクロスバー構造を持つ有機スピンゼーベック素子を作成した。Ptの逆スピンホール効果は大きく、スピン流変換層として適している。Pt層に交流電流を流し、第二高調波測定によりCoFeAl層の異常ネルンスト効果を観測した。これは、有機物層を経由した熱流を観測したと言える。有機層なしのCoFeAl/Ptクロスバーにおいて、Ptのスピン流変換によりCoFeAl層からの熱スピン流注入効果を観測できた。
CoFeAl層をジュール加熱し、CoFeAl層から有機層（Carbon)に熱スピン注入を試みたが、有機層を経由したスピン流は観測されていない。成膜された有機膜のスピン緩和長は短いと考えられる。カーボン膜中のダングリングボンドなどがスピン緩和長を短くしているのではないかと考えられる。CoFeAl層とカーボン層の界面における酸化物などの層によりスピンが緩和しているのではないかと考え、カーボン層の表面をミリングしたが同様の結果だった。
成膜したスピンギャップレス半導体CoFeMnSi膜をEDXにより組成分析を行ったところ、Si含有量が予定より小さいことが分かったので、Siをより多く含むようにCoFeMnSi用スパッタターゲットの改良を行った。より熱電変換性能が高いCoFeMnSiの成膜が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、有機スピンゼーベック素子の界面および有機膜の改良を行い、スピンゼーベック効果の観測を目指す方針である。方策としては、有機膜を薄くすることによる改良を行う。カーボンをアニールによりダングリングボンドを減らすことを行う。有機と無機材料の界面改良としてシランカップリング剤などを用いる。有機膜の改良により、有機膜のスピン緩和長が長くすることができると期待される。観測された異常ネルンスト効果の解析も行う。
さらに、ペンタセンやスピンギャップレス半導体CoFeMnSiを用いた有機スピンゼーベック素子を作成する。スピンゼーベック効果の温度依存性の測定を行い、カーボンやペンタセンなどの有機のスピン緩和長を求める。ペンタセンやカーボンなど有機中のスピン緩和機構を解明する方策である。有機ELの発光においてスピン緩和は重要である。有機中のスピン緩和機構を解明により、有機ELの発光効率改良に関する知見が得られると期待される。
福岡県は、COVID-19蔓延のため、緊急事態宣言対象地域に指定され、九州大学は在宅勤務推奨となり実験は遅れているので、研究助成期間の再延長を申請した。
本年度は、予定されていた出張や実験ができず予算を使用できなかった。次年度には、測定のための寒剤の購入費用、成果発表のため費用、論文投稿費用が発生する予定である。
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| Causes of Carryover |
福岡県は、COVID-19蔓延のため、緊急事態宣言対象地域に指定されため。コロナ蔓延のため、学会出張ができなかったため。次年度、学会出張を行う。
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