国立产业技术综合研究所［所长：中钵良二］（以下简称“产业技术研究所”） 能源效率研究部［研究主任：宗像哲夫］热电转换组研究员 村田正之、山本淳 研究组组长为国立大学法人埼玉大学［所长：山口博树］（以下简称“埼玉大学”） 与副教授合作预计会出现新的效果茨城大学理工学研究生院长谷川泰弘和工学部小峰敬志副教授【校长三村信夫】（以下简称“茨城大学”）铋纳米线的霍尔系数
现在我们可以对直径700纳米、长度269毫米的铋纳米线进行精细加工和观察FIB-SEM 设备形成微电极，我们在世界上首次成功地精确测量了纳米线中的霍尔系数。另外，测量结果，职业生涯移动性与散装铋相比显着减少。新开发的测量技术的应用有望有助于阐明各种纳米线的物理特性。
该技术的详细内容可以参见美国化学会2016年12月12日出版的国际学术期刊纳米字母
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| 纳米线霍尔系数测量技术示意图 |
| 当对纳米线施加磁场并使电流通过时，霍尔系数由垂直方向产生的电压（红色）确定。此外，载流子迁移率可以通过结合纵向电压（蓝色）进行分析来进行实验评估。 |
近年来，由于纳米技术的进步，各种纳米线材料正在积极开发，以表达新的功能和提高性能。然而，由于纳米线在纳米级别的直径非常小，因此很难利用霍尔系数测量来准确评估材料的重要物理特性，例如载流子迁移率和载流子密度。迄今为止，已有报道对磷化铟、砷化铟、硫化铁和硅化锰纳米线的霍尔系数进行了测量，但由于电极位置不确定，测量精度较低。此外，传统的电极形成技术将纳米线暴露在空气中，因此它们不能应用于容易氧化的材料。因此，需要能够准确测量多种材料中纳米线物理特性的技术。
日本产业技术研究院、埼玉大学和茨城大学的联合研究小组正在使用铋进行纳米线的研究和开发，预计随着铋的纳米化，其物理特性将发生显着变化。如果能够精确测量霍尔系数，就可以通过实验验证纳米尺寸对载流子迁移率和载流子密度的影响。然而，铋纳米线很容易被氧化，而传统技术需要在空气中形成电极，因此很难制造用于霍尔系数测量的精细电极。此外，在现有技术中，由于电极位置偏移约为1μm，因此仅检测霍尔电压的精度较低。因此，联合研究小组致力于开发一种通过在精确位置形成微小电极而不将铋纳米线暴露在空气中来测量霍尔系数的技术。
该研究开发的一部分由国家研究开发公司进行该项目得到了新能源和产业技术发展组织委托项目“能源与环境新技术领先计划/通过创新纳米控制实现高效热电转换系统（2015-2019财年）”、文部科学省科研补助金“研究活动启动支持”的支持（2014-2019 财年）”和“基础研究（B）（2015-2015 财年）”。
为了避免容易氧化的铋纳米线暴露在空气中，在高压下将高温熔化的铋注入中心直径为700 nm的孔的圆柱形石英玻璃中，形成如图1（a）所示结构的纳米线（外径053 mm，长度269 mm）。纳米线置于石英玻璃中心的结构（毫米）。将石英玻璃从侧面向中心附近抛光，纳米线到石英玻璃抛光表面的距离约为1μm，抛光表面上沉积了一层金属薄膜（图1（b））。接下来，我们使用FIB-SEM设备在纳米线上的精确位置制造微电极，最后，我们形成纳米制造的凹槽，将抛光表面上的金属薄膜分成八部分，用作布线电极（图1（c））。
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| 图1 石英玻璃中铋纳米线的电极制造工艺 |
图2显示了局部暴露纳米线的处理示意图（图2（a））和实际制造的电极的电子显微照片（图2（b））。使用调整加工速度的聚焦离子束（FIB）一点一点地刮擦石英玻璃，同时使用电子显微镜（SEM）观察加工区域。暴露表面，同时最大限度地减少对纳米线的损坏，并在纳米线上创建微小电极。使用这种制造技术，从暴露纳米线到形成电极的步骤可以在真空中进行，从而防止纳米线表面的氧化。此外，利用该技术，我们能够将纵向方向的电极位置位移抑制在约300 nm以下，成功地形成了具有高位置精度的电极。
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| 图 2 制作的电极图像（左）和电子显微照片（右）。位置就是图1(c)中红色虚线包围的区域。 |
图 3 显示了测量的电压 (V垂直)的磁场依赖性。该测量结果包括由于霍尔效应引起的电压和由于纳米线纵向上的电阻引起的电压。利用霍尔电压相对于磁场是奇函数而电阻产生的电压是偶函数这一事实，将正负磁场的值相减，并根据斜率和施加的电流确定霍尔系数。可见，虽然霍尔电压是微伏量级的小电压，但通过将噪声电压抑制到100nV以下，可以高精度地测量霍尔电压。此外，由于电极位置误差小于300 nm，因此在无磁场（0 T）下测量的偏移电压也被抑制到约10 µV。
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| 图 3 测量电压 (V垂直) |
通过使用新开发的方法形成电极，我们首次能够在 42 K 至 300 K 的温度范围内测量铋纳米线的霍尔系数。由于纳米线的形成，从测量结果分析中获得的载流子迁移率的温度依赖性与本体中的载流子迁移率明显不同（图 4）。通过这种方式，我们通过实验观察到纳米线中的载流子迁移率由于直径尺寸的限制而降低，并且迁移率的降低在极低的温度下尤其明显。
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| 图 4 纳米线中载流子迁移率的温度依赖性 |
新开发的纳米线电极制造技术使我们能够精确测量霍尔系数并通过实验评估载流子迁移率和载流子密度。此外，该方法不仅可以应用于铋，还可以应用于其他材料制成的纳米线，有望成为一种通过实验了解迄今为止尚未阐明的纳米线导电现象的技术。
未来，我们的目标是制造直径更小的铋纳米线，并通过这次开发的电极制造技术和物理性能测量方法实验观察制造新纳米线的效果。此外，物理性质已被阐明的纳米线热电转换材料等技术，为节能技术做出贡献。