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Unusual Thermoelectric properties in Topological Insulators with various Device designs

各种器件设计的拓扑绝缘体的异常热电特性

基本信息

批准号：
21H01024
负责人：
松下ステファン悠
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01024/
关键词：
熱電物性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造薄膜

项目摘要

本研究の目的は、バルク絶縁性の高い3次元トポロジカル絶縁体（3D-TI）において、3D-TI/強磁性体ヘテロ構造やTIの多孔質化といった多彩なデバイスデザインを設計・作製し、表面ディラック電子に期待される高い熱電性能の発現とそのメカニズム解明を行うものである。本年度は、申請時の計画にあるように①電気伝導、ホール伝導、ゼーベック係数、ネルンスト係数の4物性同時測定システムの構築、②ヘテロ構造の熱電物性の詳細測定、③多孔質TIデバイスの作製とテスト測定の3点を行った。①の測定システムは構築を完了し、試験的に行ったBSTS薄膜の測定においては、従来の測定システムと一致した測定結果を得た。また、ゼーベック係数とネルンスト係数を磁場中で測定可能となったことで、電気伝導測定では微弱にしか見えなかった量子振動が明瞭に観測され、「熱電係数が輸送現象の本質的メカニズム解明の強力なツール」とした本研究申請時の言及を裏付ける結果を得た。②のヘテロ構造の測定では、表面ディラック電子の伝導が支配的な20nm程度の薄膜において、低温域で抵抗が上昇する振る舞いや、非常に強い量子振動をゼーベック係数で観測するなど、強磁性体による磁気近接効果の影響と思われる結果を複数観測した。また、ネルンスト係数においては、通常の膜では数μVの大きさであったものが、ほとんどゼロとなるなど、ヘテロ構造化により大きく変化する振る舞いを観測した。③の多孔質ＴＩについては、50nm程度のバルク伝導の寄与が支配的な膜厚領域において、金属的な伝導特性を示す測定結果を観測した。先行の理論研究においては、多孔質化による表面積増大によって、厚い膜厚においても表面伝導が支配的になり得るとされており、本測定の結果はそれを示唆するものであると考えている。

The purpose of this study is to design, manufacture, and develop high-temperature thermoelectric properties for high-temperature insulating materials (3D-TI), 3D-TI/ferromagnetic materials, porous structures, and multi-color materials. This year, we will carry out the following three tasks: (1) construction of a system for simultaneous measurement of four physical properties, namely, electrical conductivity, thermal conductivity coefficient, and thermal coefficient;(2) detailed measurement of thermoelectric properties of a system; and (3) construction and measurement of porous materials. The measurement results were consistent with those of the previous measurements. The thermoelectric coefficient is the essence of the transport phenomenon. The results of this study were obtained when the application was made. 2. The measurement of the structure of the ferromagnet is based on the results of the measurement of the influence of the electron conduction on the surface of the thin film of 20nm, the resistance to rise in the low temperature range, the vibration coefficient of the very strong quantum vibration, and the magnetic proximity effect of the ferromagnetic material. In general, the film is made up of several micrograms of material. (3) Measurement results of conductivity characteristics of porous materials in the range of 50nm In the previous theoretical study, the surface area of porous materials increased, the film thickness increased, and the surface conductivity increased. The results of this study showed that the surface conductivity increased.