産総研、ビスマスナノワイヤーのホール係数を測定する技術を開発

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産業技術総合研究所(産総研)は2016年12月12日、ビスマスナノワイヤーのホール係数を測定する技術を開発したと発表した。同技術でホール係数を正確に測定することで、ビスマスのナノサイズ化がキャリア移動度やキャリア密度に与える影響を実験的に評価できたという。

ビスマスは、小さい有効質量やキャリア密度、高いキャリア移動度などの特異な物性を持つ物質だ。ナノワイヤー化により、これらの物性値が大きく変化することが予想されている。実際にナノサイズ化がキャリア移動度やキャリア密度に対して効果があるかを検証するには、ホール係数を精密に測定する必要がある。

だが、ビスマスナノワイヤーは酸化しやすく、従来の技術では空気中で電極形成する必要があるため、ホール係数測定用の微細な電極を作製することは困難だった。さらに、従来の技術は電極位置のずれが1μm近く生じるため、ホール電圧のみを検出する精度が低かった。

そこで産総研、埼玉大、茨城大の共同研究グループは、ビスマスナノワイヤーを空気に晒さずに、加えて正確な位置に微小な電極を形成し、ホール係数を測定する技術の開発に取り組んだ。まず、ビスマスナノワイヤーの空気への曝露を避けるために、円柱形の石英ガラスの中心部分に直径700nmの孔を空け、そこに高温で融解させたビスマスを高圧で圧入し、石英ガラスの中心部分にナノワイヤーを配置した。

次に、石英ガラスを側面から中央近くまで研磨で削り落とし、ナノワイヤーから石英ガラスの研磨面までの距離を1μm程度にして、その研磨面に金属薄膜を蒸着。その後、加工速度を調整した集束イオンビーム(FIB)で石英ガラスを少しずつ削りながら、同時に電子顕微鏡(SEM)で加工箇所を観察して、ナノワイヤーへのダメージを最小限に抑えながら表面を露出させ、ナノワイヤー上に微小な電極を作製した。

研究グループはこの作製技術を用い、ナノワイヤーの露出から電極形成まで真空中で実行し、ナノワイヤー表面の酸化を防いだ。さらに、電極位置のずれを長手方向に対して300nm程度以下に抑え、高い位置精度で電極を形成することに成功した。今回開発した手法で電極を形成することで、ビスマスナノワイヤーのホール係数を4.2Kから300 Kの温度範囲で初めて測定できたという。

測定結果の解析から得たキャリア移動度の温度依存性は、ナノワイヤー化によって、バルクとは明らかに異なっていた。このように、ナノワイヤー中では直径サイズの制限を受けてキャリア移動度が低下し、特に極低温での移動度の低下が顕著になることを実験的に観測したとしている。

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