微小試料用の低温熱伝導率測定装置の開発と性能評価

堀口元成

関口晃生，小野俊雄，山口博則，細越裕子（阪府大院理）

村上修一（産技研）

2016年11月25日 第15回低温工学・超伝導若手合同講演会＠I-siteなんば

はじめに

1200μm

（絶縁的な）磁性体の研究

•応用研究

電子の持つスピン自

由度を利用した

• 信号伝達

スピントロニクス

• 量子計算

•基礎研究

本質的な量子現象

• 極限環境下の

量子相転移

• 新たな基底状態

• 励起状態

磁性体の研究手法

比熱

磁化

磁気共鳴

中性子散乱

エネルギー構造エントロピー変化

内部磁場

磁気構造励起状態

×大型施設が必要磁気モーメントの大きさ

磁気異方性 磁性体

物質開拓物性研究の基本

熱伝導測定によるアプローチ

•絶縁的磁性体の熱伝導：フォノン + マグノン

k = kphonon+ kmagnon

局所的なエネルギー励起 交換相互作用による伝播

kmagnon = Cmaglmagvmag

• Cmag: 磁気比熱

• lmag:マグノンの平均自由行程

• vmag:マグノンの群速度 交換相互作用を反映

熱伝導測定によるアプローチ

• c-軸方向にCu2+のスピン梯子

• 熱伝導率の空間異方性• a-軸方向：フォノンのみ

• c-軸方向：フォノン＋マグノン

相互作用強度の空間異方性

vmag:マグノンの群速度

小池，川俣：J. HTSJ 50, 12 (2011)より引用

c

a

熱伝導率測定における課題

有機結晶のような脆く，小さい結晶でも

測定できるデバイスの作成

1cm

研究目的

1mm

測定デバイスの概略

•測定系の断熱

SiO2/ SiN/ SiO2膜（1μm）

• ヒーターと温度計

NbNx半導体

熱伝導率

L:温度計間の距離(300μm)

温度計の特性

微細化が可能 低温での分解能 磁気抵抗効果が小 作成条件が容易

白金抵抗 ○ × ○ ○

熱電対 × ◎ ○ ×

CrN ○ ○ ○ ×

NbNx ○ ○ ○ ○

温度計比較

1000μm

温度計作成条件と性能

抵抗の温度変化が増大

⇒ 温度分解能の向上

400μm1000μm

NbNx温度計

12

8

4

0

Res

isti

vit

y

・m

]

100806040200

Temperature(K)

N2:Ar = 50%:50%

30%:70%

10%:90%

600

500

400

300

200

100

0

Res

isti

vit

y

・m

]

100806040200

Temperature(K)

90%:10%

N2:Ar = 100%:Ar0%

70%:30%

12

10

8

6

4

2

0

Tc[

K]

100806040200

Percentage of N2[%]

800x10-9

600

400

200

0

activatio

n en

egy

[K]

Tc

activation energy

半導体超伝導

窒化ニオブの電気特性

熱伝導率測定装置の設計

ヒーター

温度計１

8mm

温度計2

V+

V−

I −

I +

V+

V+V−

V− I+

I+

I −

I−

電極(Nb)

1500μm

1700μm

900μm

作成したチップ

サンプルステージ部分

現在はまだ一部の信号線に断線あり（フォトリソグラフィーのプロセスを修正中）

ヒーター

温度計1

温度計2

12

10

8

6

4

2

0

R [

10

3

300250200150100500

T [K]

温度計2温度計1

実装した温度計の評価

チップ1 チップ2

Quantum Design社製 PPMSにて測定

12

10

8

6

4

2

0

R [

10

3

300250200150100500

T [K]

温度計2 ヒーター

標準偏差（T=3K）：∆R

R＝1.4％

12

11

10

9

8

R [

10

3

12840

T [K]

温度計2 温度計1

10

100

1000

dR

/dT

[

2 3 4 5 610

2 3 4 5 6100

2 3

T [K]

温度計1 温度計2

実装した温度計の分解能

T [K] ΔＴ [μK]

100 5

25 1

3 0.2

3K,25K,100Kでの温度計の分解能

(T,dR/dT)=(100,20)

(T,dR/dT)=(25,100)

(T,dR/dT)=(3,500)

熱伝導率測定に向けて

• 基板の膨張係数 〜 4 x 10-6 /K程度1Kから300K では~ 10-4程度

• T1 – T2 ~ 0.1 K 程度とすると，

⇒ Δκ ~ 10-4 程度と評価できる。

まとめと今後の課題• NbNx温度計の開発

スパッタ時の窒素分圧が60%以上で電気特性が超伝導体 → 半導体

窒素分圧が100%で最も感度が向上

• 試作デバイスの評価

低温まで測定可能

異なるチップ間で良い再現性

標準偏差（T=3K）：∆R

R＝1.4％

温度計の分解能（T=3K）：ΔT = 0.2 μK

• 信号配線のフォトリソグラフィ

• 試料の接着方法（有機結晶への対応）

• 標準試料による絶対値の校正