実験研究	ナノワイヤー熱電変換素子の作製
	集束イオンビームによるナノ加工
	ナノワイヤー熱電変換素子の結晶方向制御
	ナノ材料にも適用可能な熱電気物性測定システムの開発（国際）
	量子振動測定によるナノワイヤー材料のフェルミ面実験研究（国際）
	材料中のキャリア散乱機構の解明（国際）
理論・シュミレーション研究	ボルツマン方程式による３次元電気・熱輸送現象の理論研究
	有効質量方程式による１次元量子熱電気物性の理論研究
	熱電変換による液化天然ガスならびに液体水素冷熱回収システムの検討
アウトリーチ	ビスマスの骸晶結晶の作製
	Mindstormを使ったロボット制作

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　独自のナノワイヤー材料や一般的な半導体材料を使った物性値測定による実験研究を進めています。ちなみにテーマ名に（国際）と題打っているのは、装置の関係上、国外の研究機関と国際共同研究を進めているものです。
ナノワイヤー熱電変換素子の作製

　1次元材料であるナノワイヤー形状によって量子効果を導入するためには、ビスマス材料でワイヤー直径100nm以下の実現が必須です。一方、その材料特性を測定するためには、1mm以上の長さの実現が期待されています。本研究室では、この両者を実現するために、化学的に極めて安定な石英ガラスによる単一空孔が空いたテンプレート呼ばれる鋳型を独自に開発し、その空孔中にビスマス材料を圧入する手法で、ナノワイヤー熱電変換素子の作製を作製しています。

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集束イオンビームによるナノ加工

　作製したナノワイヤー熱電変換素子の物性を評価するためには、ワイヤーの長さ方向の任意の場所に局所電極を取り付けなければなりません。本研究室では、集束イオンビーム(FIB: Focused Ion Beam)と呼ばれるナノ加工装置を巧みに使うことで、100nmオーダーの電極形成を行います。

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ナノワイヤー熱電変換素子の結晶方向制御

　ビスマス材料は融点が271℃と低いことも１つの特徴です。このため、210〜240℃程度の温度を利用することで、結晶方向を任意の方向に制御することが可能です。ナノワイヤー自体はアモルファス形状である石英ガラスに覆われていることから、強輝度X線を入射し、その散乱X線を解析することで、ワイヤーの長さ方向・直径方向の結晶方向を決定できます。

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ナノ材料に適用可能な熱電気物性測定システムの開発（国際）

　ナノワイヤー熱電変換素子のみならず、一般的な熱電変換材料や半導体材料の物性測定を進めています。市販の物性測定装置は、測定できる物性値が限られているのですが、本研究室では、抵抗率・ホール係数・ゼーベック係数・ネルンスト係数と呼ばれる一般化されたオームの法則に出てくる電気輸送係数のみならず、熱拡散率・熱伝導率・比熱など、熱輸送係数や熱電変換材料特有の無次元性能指数の測定も可能です。物性値に合わせた治具の設計・作製と、高感度測定などの特徴を備えた物性測定システムの開発を進めています。興味の対象と装置の制限より、室温以下の領域の測定に特化していますが、室温以上の高温領域での測定には国内外の研究機関との共同研究によって研究を進めています。

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量子振動測定によるナノワイヤー材料のフェルミ面実験研究（国際）

　作製したナノワイヤー熱電変換素子の量子効果導入を決定するには、巨大ゼーベック効果を実証することも１つの手法なのですが、強磁場中の量子振動（シュブニコフ・ド・ハース振動）によるフェルミ面構造の決定が最も強力で説得力のある方法となります。埼玉大学にはナノワイヤー熱電変換素子に適した20テスラ程度の強磁場発生装置がありませんが、国内外の研究機関との共同研究によって研究を進めています。

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材料中のキャリア散乱機構の解明（国際）

　ナノワイヤー材料のみならず一般的なミリスケールの材料などでも、その結晶性や有効質量の大きさによって、電子やホールといった材料中のキャリアは、格子もしくは不純物（結晶粒界などの境界）と散乱することで、電気抵抗がうまれます。一般的な輸送係数は散乱機構によって、温度依存性も含めて特性が大きく異なります。本研究では、対象となる材料の全ての物性値を同時測定することによって、キャリア散乱機構の温度依存性も含めた特性を評価していきます。

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　実験と合わせて、コンピュータを使った理論・シミュレーション研究も合わせ進めています。プログラミングはFortranを昔は使っていましたが、現在はMathematicaを多用しています。

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ボルツマン方程式による３次元電気・熱輸送現象の理論研究

　物性物理や半導体工学を基本として、熱電変換現象を取り扱う材料のゼーベック係数，抵抗率，ホール係数，ネルンスト係数など、一般化されたオームの法則に登場する物性値の理論計算を進めています。Bi材料は室温領域でも移動度が高く(>1m2/Vs)、結晶方向の異方性も高いことから、低温領域での輸送現象に大きな違いが観察されています。ミリメートルサイズの材料では大きな違いは出ませんが、結晶粒界など特徴的な長さが数μｍ程度になると、電子・ホールなどのキャリア散乱機構が変化し、結果、低温領域でゼーベック係数や抵抗率の温度依存性に違いが出てきます。ナノワイヤー熱電変換素子の輸送特性が３次元状態なのか、１次元状態なのかの違いを知る上で重要な理論研究となります。

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有効質量方程式による１次元量子熱電気物性の理論研究

　　熱電変換材料の特徴的な物理量であるゼーベック係数は、低次元状態に遷移すると大きく変化すると理論研究から明らかになっています。これは、１次元状態密度を仮定した上で、適切な境界条件の元、シュレディンガー方程式に基づいた有効質量方程式を数値的に解くことで得られる結果となります。加えて、真性条件からフェルミエネルギーも計算できます。これらの計算から得られた物理量から、抵抗率・ホール係数・ネルンスト係数などの物理量を予測し、１次元量子熱電気物性が理論的な立場からどのように変化するかを解明していきます。

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熱電変換による液化天然ガスならびに液体水素冷熱回収システムの検討

　より工学的なアプローチとなりますが、熱電変換による熱回収は、液化天然ガスならびに液体水素など、室温より低い領域での冷熱回収を想定しています。ここで必要になる入熱流束，使用する熱電変換材料の特性，結果として得られる発電出力など、具体的な発電システムの検討を進めています。

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　　学術論文や学会発表を通して研究成果の発表を行っていますが、これはあくまで研究内容が詳細に分かる研究者に向けてです。とはいえ、将来的に研究に興味を持ってもらう，もしくは自然科学そのものに興味を持ってもらうことを願って、以下の内容でアウトリーチ活動を進めています。

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ビスマスの骸晶結晶の作製

　ナノワイヤー熱電変換素子など、研究室で取り扱うBi（ビスマス）材料は、融点が271℃と低く、液体状態から自然冷却することで、骸晶と呼ばれる特徴的な人工結晶構造を採ります。その際、大気中で表面が酸化することで、薄い酸化膜ができ、可視光と干渉することで、多種多様な虹色に輝くこと特徴を持っています。Biの人工結晶は、昔は宝石としても取り扱われたこともあり、本研究室では小中学生の皆さんへのアウトリーチとして、ビスマスの骸晶結晶を実際に作ってみる科学アウトリーチを進めています。 日本学術振興会「ひらめき☆ときめきサイエンス」の一環として、毎年、活動を進めており、高い関心を寄せていただいております。

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Mindstormを使ったロボット制作

　小学校のプログラミング必須化が始まっていますが、やはり文字ベースのプログラムの敷居が高いのは事実です。本研究室でも、実験室での装置制御にLabVIEWを、研究室での理論計算などにはMathematicaなどを使っていますが、なかなか直ぐにプログラムの感触を得ることは難しいのが現実です。 　LEGO社が提供するMindstormは、基本的なブロックパーツと各種センサーとモーターを使って、実際に動くロボットを作ることが出来ます。ここに使われているプログラミング言語は、LabVIEWを基本としたブロックダイアグラムで簡単に記述することができます。完全なプログラミング言語をマスターするというよりは、機械がどのように動いているか、プログラムの構造がどうなっているかを理解する第一歩としては最適です。 　埼玉大学「科学者の芽・Jrドクター育成塾」の一環として、活動を進めています。

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