量子効果を導入したナノワイヤー熱電変換素子の開発と評価

结合量子效应的纳米线热电转换器件的开发和评估

• 批准号: 11J08106
• 负责人: 村田 正行
• 金额: $ 1.28万
• 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: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J08106/
• 关键词: ナノワイヤー; 量子閉じ込め効果; 熱電変換材料; 集束イオンビーム; ホール係数測定; ビスマスナノワイヤー; 量子効果; 高効率熱電変換材料; 4端子抵抗測定; Shubnikov-de Haas振動

移動度の変化をホール係数測定により実験的に評価するために、集束イオンビーム加工を利用したホール測定用電極の作製を行った。サンプルの直径が非常に細い点とビスマスが大気中で酸化しやすいという点から、ナノワイヤー側面に局所的な電極を取り付ける事は非常に多くの困難を要する。そのため、ビスマスナノワイヤーにおけるホール測定の結果は、これまで報告されていなかった。そこで、本研究では研磨と集束イオンビーム加工を利用して、石英ガラス製の鋳型中に配置されたビスマスナノワイヤーに対してナノスケールのホール測定用の局所電極を作製した。このように作製した直径700nmのビスマスナノワイヤーを利用してホール係数の測定に成功し、キャリア移動度の評価を行った。ナノワイヤーにおけるホール係数の測定は世界で4例目、ビスマスナノワイヤーに関しては初めての結果となった。また、直径160nmのビスマスナノワイヤーのゼーベック係数の温度依存性を測定したところ、これまでの直径200nm以上のサンプルでは現れなかったゼーベック係数の上昇が観察された。これまでの研究では、ワイヤー直径を小さくすることによりキャリアの平均自由行程が制限され、キャリア移動度が減少するために、ゼーベック係数は徐々に低下する傾向があった。しかし、直径160nmのビスマスナノワイヤーの測定結果は、予想される温度依存性よりも上昇し、50K程度で極値を持つような温度依存性が得られた。理論計算によると直径200nm以下ではバンド構造が変化することにより、ゼーベック係数が変化すると予想されている。このようにビスマスナノワイヤーにおけるゼーベック係数の上昇を世界で初めて観測した。

の mobile degrees - the を ホ ー ル coefficient determination に よ り be に 験 reviews 価 す る た め に, cluster イ オ ン ビ ー ム processing を using し た ホ ー ル determination made system を line electrode の っ た. サ ン プ ル の diameter が very fine に い point と ビ ス マ ス が large 気 で acidification し や す い と い う point か ら, ナ ノ ワ イ ヤ ー side に bureau な electrode を take り pay け る much は very に く の を difficulties す る. そ の た め, ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー に お け る ホ ー ル の results は, こ れ ま で report さ れ て い な か っ た. そ こ で, this study で は grinding と cluster イ オ ン ビ ー ム processing を using し て, quartz ガ ラ ス system の type where the に configuration さ れ た ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー に し seaborne て ナ ノ ス ケ ー ル の ホ ー ル determination made system し の bureau electrode を た. こ の よ う に cropping し た diameter of 700 nm の ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー を using し て ホ ー ル coefficient の に successful し, キ ャ リ ア mobile degrees の review 価 を line っ た. ナ ノ ワ イ ヤ ー に お け る ホ ー ル coefficient の world で は 4 cases of eye, ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー に masato し て は early め て の results と な っ た. ま た, diameter of 160 nm の ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー の ゼ ー ベ ッ ク coefficient の temperature dependence を し た と こ ろ, こ れ ま で の diameter of more than 200 nm の サ ン プ ル で は now れ な か っ た ゼ ー ベ ッ の ク coefficient rise が 観 examine さ れ た. こ れ ま で の research で は, ワ イ ヤ ー を small diameter さ く す る こ と に よ り キ ャ リ ア の mean free stroke が limit さ れ, キ ャ リ ア mobile degrees が reduce す る た め に, ゼ ー ベ ッ ク coefficient は xu 々 に low す る tendency が あ っ た. し か し, diameter of 160 nm の ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー の は determination results, to want to さ れ る temperature dependency よ り も rise し, degree of 50 k で extremely interesting を hold つ よ う な temperature dependence が ら れ た. Theoretical calculation に よ る と below 200 nm in diameter で は バ ン が ド structure - the す る こ と に よ り, ゼ ー ベ ッ が ク coefficient variations change す る と to think さ れ て い る. こ の よ う に ビ ス マ ス ナ ノ ワ イ ヤ ー に お け る ゼ ー ベ ッ ク coefficient of early rising の world で を め て 観 measuring し た.

项目成果

A process for thermal conductivity measurement of an individual bismuth nanowire in quartz template

石英模板中单个铋纳米线的热导率测量方法

• 发表时间: 2012
• 作者: Yasuhiro Hasegawa;Masayuki Murata;Fumiaki Tsunemi;Takashi Komine;Chris Dames;Javier E. Garay
• 通讯作者: Javier E. Garay

熱電変換モジュール

热电转换模块

• 发表时间: 2013

Numerical Analysis of Boundary Scattering Effect on Transport Properties in a Bi-Sb Nanowire

Bi-Sb 纳米线中边界散射效应对输运特性的数值分析

• DOI: 10.1007/s11664-013-2564-5
• 发表时间: 2013
• 期刊: Journal of Electronic Materials
• 影响因子: 2.1
• 作者: Yuta Nabatame;Tsuyoshi Matsumoto;Yuki Ichige;Takashi Komine;Ryuji Sugita;Masayuki Murata;Yasuhiro Hasegawa
• 通讯作者: Yasuhiro Hasegawa

Thermoelectric properties for single crystal bismuth nanowires using a mean free path limitation model

使用平均自由程限制模型的单晶铋纳米线的热电性能

• DOI: 10.1063/1.3630014
• 发表时间: 2011
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Daiki Nakamura;Masayuki Murata;Hiroya Yamamoto;Yasuhiro Hasegawa;Takashi Komine
• 通讯作者: Takashi Komine

Biナノワイヤー熱電変換素子のShubnikov-de Hass振動測定

Bi纳米线热电转换器件的Shubnikov-de Hass振动测量

• 发表时间: 2012
• 作者: Daiki Nakamura;Yasuhiro Hasegawa;Masayuki Murata;Hiroya Yamamoto;Fumiaki Tsunemi;Takashi Komine;本間亮英,村田正行,寺門宏樹,長谷川靖洋,小峰啓史;寺門宏樹,村田正行,本間亮英,長谷川靖洋,小峰啓史,山嵜正明,寺嶋徹;内田仁志,青天目悠太,小峰啓史,青野友祐,村田正行,長谷川靖洋;村田正行,長谷川靖洋,小峰啓史;村田正行,常見文昭,齋藤佑介,代田雄人,藤原啓資,長谷川靖洋,小峰啓史;長谷川靖洋,常見文昭,村田正行,齋藤佑介,代田雄人,小峰啓史,Dames Chris;村田正行，長谷川靖洋，小峰啓史;長谷川靖洋;長谷川靖洋;長谷川靖洋;村田正行,常見文昭,長谷川靖洋,小峰啓史;常見文昭,村田正行,長谷川靖洋,小峰啓史,遠藤彰
• 通讯作者: 常見文昭,村田正行,長谷川靖洋,小峰啓史,遠藤彰