１次元量子Ｂｉナノワイヤー熱電変換素子の巨大ゼーベック効果実証とその機構解明

一维量子Bi纳米线热电转换器件中巨塞贝克效应的演示及其机理的阐明

• 批准号: 18J20748
• 负责人: 大塚 美緒子
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Saitama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18J20748/
• 关键词: ビスマスワイヤー; 抵抗率; ゼーベック係数; 輸送特性; 散乱因子; 平均自由行程; ビスマス; ナノワイヤー; 4端子測定; インピーダンススペクトロスコピー法; 熱電変換材料; Biワイヤー; Biナノワイヤー; 1次元量子Biナノワイヤー; ナノ電極

抵抗率およびゼーベック係数の4端子測定が終了している直径1.9μmのBiマイクロワイヤーの結晶方向をX線回折により特定した上で熱電物性の輸送特性評価を行った。使用する計算プログラムを見直し、輸送係数から計算した電気伝導度テンソルを用いて解析を試みた。結果、抵抗率は平均自由行程の大きさの影響を受けやすい一方、ゼーベック係数は散乱係数への依存性が大きいことが分かった。解析結果をふまえ、電子とホールの平均自由行程の大きさが等しいことを仮定し、キャリアの真性条件の下、抵抗率の実験値から平均自由行程の大きさを見積もり、ゼーベック係数から散乱因子の値を見積もった。結果、平均自由行程は300-150K程度の温度領域ではワイヤー直径と同等の大きさとなり、その後20Kでワイヤー直径の1/3程度の大きさとなるまで減少した。また、散乱因子の値は温度減少に伴って音響フォノン散乱からイオン化不純物散乱へと遷移するような傾向が見られた。磁場に関する物性値を評価するため、電気伝導度テンソルに磁場に関する項を含めることで計算プログラムを改良し、特定の結晶方向に従ったホール係数の計算を行った。結果、解析値は実験値の傾向とも一致したが、実験値のホール係数を完全に再現することは困難であった。これは、キャリア密度等に使用している文献値や、実験に使用したBiワイヤーの正確なキャリア密度の特定が難しいことに大きく依存していると考えられる。以上のような実験値の解析により、Biワイヤーにおいて散乱過程が温度によって変化する可能性があることが詳細なモデルを用いて示すことができた。また、平均自由行程に温度依存性を含ませることによって、抵抗率の低温における上昇傾向の説明を可能にした。以上の結果をふまえ、同様な現象が１次元量子Biナノワイヤーにおいても発現することを加味した上で今後の実験・解析の方向性を示唆することができた。

Resistance お よ び ゼ ー ベ ッ ク coefficient の 4 terminals at the end of が し て い る 1.9 microns in diameter の Bi マ イ ク ロ ワ イ ヤ ー の crystallization direction を X-ray inflexion に よ り specific し た で thermoelectric property の conveying characteristics on review 価 を line っ た. Using す る computing プ ロ グ ラ ム を see straight し, transmission coefficient か ら computing し た electric 気 伝 conductance テ ン ソ ル を with い て parsing を try み た. Results the average free stroke, resistance rate は の big き さ の を by け や す い side, ゼ ー ベ ッ ク は diffuse coefficient へ の dependency が big き い こ と が points か っ た. Analytical results を ふ ま え, electronic と ホ ー ル の mean free trip の big き さ が etc し い こ と を 仮 し, キ ャ リ ア の true condition, resistance rate under の の be 験 numerical か ら mean free trip の big き さ を see product も り, ゼ ー ベ ッ ク coefficient か ら scattered factor on の numerical を see product も っ た. Results, mean free path は degree of 300-150 k の temperature field で は ワ イ ヤ ー と equivalent diameter の big き さ と な り, そ の after 20 k で ワ イ ヤ ー の a third degree の large diameter き さ と な る ま で reduce し た. ま た, scattered factor on の numerical は temperature reducing に with っ て sound フ ォ ノ ン scattered か ら イ オ ン the impurity content scattered へ と migration す る よ う な tendency が see ら れ た. Magnetic field に masato す る property numerical を review 価 す る た め, electricity 気 伝 conductance テ ン ソ ル に magnetic に masato す を る items including め る こ と で computing プ ロ グ ラ ム を improved し, specific の crystallization direction に 従 っ た ホ ー の ル coefficient calculation line を っ た. The results, analytical values, <s:1> actual values, <s:1> tendency, と と consistency, <s:1> たが, actual values, <s:1> ホ, ホ, を coefficients, を complete に reproduction, する, する, と, であった difficulty, であった. こ れ は, キ ャ リ ア density に use し て い る numerical や, be 験 に use し た Bi ワ イ ヤ ー の right な キ ャ リ ア density の specific が difficult し い こ と に big き く dependent し て い る と exam え ら れ る. On the above の よ う な be 験 numerical analytical に の よ り, Bi ワ イ ヤ ー に お い て messy process が temperature に よ っ て variations change す る possibility が あ る こ と が detailed な モ デ ル を with い て in す こ と が で き た. ま た, mean free path に temperature dependency を containing ま せ る こ と に よ っ て の に at low temperature, resistance rate お け る rising tendency の illustrate the potential に を し た. の above results を ふ ま え, with others in な phenomenon が 1 dimensional quantum Bi ナ ノ ワ イ ヤ ー に お い て も 発 now す る こ と を flavored し た で on future の be 験, parsing の を direction in stopping す る こ と が で き た.

项目成果

Bi人工結晶作製をテーマにした4年間の研究アウトリーチ活動報告

以Bi人造水晶生产为主题的4年科研推广活动报告

• 发表时间: 2019
• 作者: Mioko Otsuka;Yasuhiro Hasegawa;大塚美緒子
• 通讯作者: 大塚美緒子

Simultaneous transport coefficient measurements for an individual bismuth wire embedded in a quartz template applying nano-fabrication

应用纳米制造对嵌入石英模板中的单根铋线进行同步传输系数测量

• DOI: 10.7567/1882-0786/aaf629
• 发表时间: 2019
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Morita Hiroyuki;Arisaka Taichi;Otsuka Mioko;Hasegawa Yasuhiro
• 通讯作者: Hasegawa Yasuhiro

Temperature dependence of resistivity in bismuth wire by varying scattering process

通过改变散射过程研究铋线电阻率的温度依赖性

• 发表时间: 2019
• 作者: Mioko Otsuka;Yasuhiro Hasegawa
• 通讯作者: Yasuhiro Hasegawa

インピーダンススペクトロスコピー法に基づいた熱電変換モジュールの過渡応答に対するzTと熱電変換効率の評価

基于阻抗谱法的热电转换模块瞬态响应zT和热电转换效率评估

• 发表时间: 2018
• 作者: 福井 昌則;黒田 昌克;森山 潤;平嶋 宗;大塚美緒子
• 通讯作者: 大塚美緒子

Temperature dependence of carrier scattering in polycrystalline bismuth

• DOI: 10.1063/1.5110254
• 发表时间: 2019-08
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Taichi Arisaka;M. Otsuka;M. Tokitani;Y. Hasegawa