WATANABE, Takanobu

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Fundamental Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

https://www.watanabe-lab.jp/en/

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Fundamental Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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Education 【 display / non-display 】

  • 1997.04
    -
    1999.03

    Waseda University   Graduate School of Science and Engineering  

  • 1995.04
    -
    1997.03

    Waseda University   Graduate School, Division of Engineering  

  • 1991.04
    -
    1995.03

    Waseda University   School of Science and Engieering  

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Degree 【 display / non-display 】

  • Waseda University   Doctor of Engineering

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2012.04
    -
    Now

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   Professor

  • 2007.04
    -
    2012.03

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   Associate Professor

  • 2005.04
    -
    2007.03

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   Associate Professor

  • 2003.10
    -
    2007.03

    Japan Science and Technology Agency   PRESTO Researcher

  • 2003.04
    -
    2005.02

    Waseda University   Graduate School of Science and Engineering   Lecturer

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

  • 　
    　
    　

    日本物理学会

  • 　
    　
    　

    日本表面科学会

  • 　
    　
    　

    応用物理学会

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Nanometer-scale chemistry

  • Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics

  • Electric and electronic materials

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • Electronic materials, Computational Physics, Nanotechnology

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Papers 【 display / non-display 】

  • Designing a bileg silicon-nanowire thermoelectric generator with cavity-free structure

    Md Mehdee Hasan Mahfuz, Motohiro Tomita, Shuhei Hirao, Kazuaki Katayama, Kaito Oda, Takashi Matsukawa, Takeo Matsuki, Takanobu Watanabe

    Japanese Journal of Applied Physics   60 ( SB ) SBBF07 - SBBF07  2021.05

    DOI

  • Thermal deposition method for p–n patterning of carbon nanotube sheets for planar-type thermoelectric generator

    Ryohei Yamaguchi, Taiki Ishii, Masamichi Matsumoto, Angana Borah, Naoki Tanaka, Kaito Oda, Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe, Tsuyohiko Fujigaya

    Journal of Materials Chemistry A   9 ( 20 ) 12188 - 12195  2021

    　View Summary

    <p>Thermal deposition of n-dopant onto SWCNT sheet (p-type) using patterned mask can fabricate p–n patterns with high special resolution. Thermoelectric generator using patterned SWCNT sheets exhibited power density of 60 nW cm−2 at Δ<italic>T</italic> = 25 °C.</p>

    DOI

  • Control of anisotropic conduction of carbon nanotube sheets and their use as planar-type thermoelectric conversion materials

    Masamichi Matsumoto, Ryohei Yamaguchi, Keisuke Shima, Masakazu Mukaida, Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe, Takao Ishida, Tsuyohiko Fujigaya

    Science and Technology of Advanced Materials   22 ( 1 ) 272 - 279  2021

    　View Summary

    The large anisotropic thermal conduction of a carbon nanotube (CNT) sheet that originates from the in-plane orientation of one-dimensional CNTs is disadvantageous for thermoelectric conversion using the Seebeck effect since the temperature gradient is difficult to maintain in the current flow direction. To control the orientation of the CNTs, polymer particles are introduced as orientation aligners upon sheet formation by vacuum filtration. The thermal conductivities in the in-plane direction decrease as the number of polymer particles in the sheet increases, while that in the through-plane direction increases. Consequently, a greater temperature gradient is observed for the anisotropy-controlled CNT sheet as compared to that detected for the CNT sheet without anisotropy control when a part of the sheet is heated, which results in a higher power density for the planar-type thermoelectric device. These findings are quite useful for the development of flexible and wearable thermoelectric batteries using CNT sheets.

    DOI

  • Direct Bonding of GaAs and Diamond for High Power Device Applications

    Jianbo Liang, Yuji Nakamura, Yutaka Ohno, Yasuo Shimizu, Tianzhuo Zhan, Takanobu Watanabe, Naoto Kamiuchi, Yasuyoshi Nagai, Naoteru Shigekawa

    ECS Meeting Abstracts   MA2020-02 ( 22 ) 1634 - 1634  2020.11

    DOI

  • Observation of an Unidentified Phonon Peak in SiGe Alloys and Superlattices Using Molecular Dynamics Simulation

    Sylvia Yuk Yee Chung, Motohiro Tomita, Ryo Yokogawa, Atsushi Ogura, Takanobu Watanabe

    ECS Transactions   98 ( 5 ) 533 - 546  2020.09  [Refereed]

    DOI

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Misc 【 display / non-display 】

  • Silicon-based micro thermoelectric generator fabricated by CMOS compatible process

    Takanobu Watanabe

    IMFEDK 2017 - 2017 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai     22 - 23  2017.07

    　View Summary

    Energy harvester is a key device for realizing trillion sensors network society. Thermoelectric generator (TEG) is regarded as the ultimate energy harvester to provide semipermanent power from heat energies via Seebeck effect. The recent discovery of the superior thermoelectric (TE) property of silicon nanowires (Si-NWs) opens the way for Si-based TEGs. In this paper, a very simple device architecture of Si-based micro TEG is proposed. It can be fabricated by the CMOS-compatible process, and the TE power density is found to be scalable by miniaturizing and integrating the structure.

    DOI

  • Mg2Si‐Siヘテロ接合トンネルFET特性の構造依存性

    WU Yan, 長谷川明紀, 角嶋邦之, 渡辺孝信, 片岡好則, 西山彰, 杉井信之, 若林整, 筒井一生, 名取研二, 岩井洋

    応用物理学会春季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   61st   ROMBUNNO.20A-D9-2  2014.03

    J-GLOBAL

  • Impacts of strained SiO2 on TDDB lifetime projection

    Y Harada, K Eriguchi, M Niwa, T Watanabe, Ohdomari, I

    2000 SYMPOSIUM ON VLSI TECHNOLOGY, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS     216 - 217  2000  [Refereed]

    　View Summary

    We clarify the effects of the strained-SiO2 on the time dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics, the activation energy of the oxide breakdown and Weibull slope (beta) for the ultra-thin gate oxide. Considerations based on the extended-Stillinger-Weber potential model show that the built-in compressive strain in SiO2 changes the statistical distribution of the Si-O-Si angle, leading to a decrease of T-bd and a spread of the distribution. The oxide breakdown tends to occur at the Si-O-Si network with a lower bond angle (similar to 115 degrees) for the 2nm-thick SiO2/Si system.

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Industrial Property Rights 【 display / non-display 】

  • 羽ばたきロボット

    特許5857658

    渡邉 孝信, 澤根 慧, 富永 峻平, 金川 清, 山本

    Patent

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Awards 【 display / non-display 】

  • Research Award (High-Impact Publication)

    2018.02   Waseda University  

    Winner： WATANABE, Takanobu

  • Teaching Award

    2016.02   Waseda University  

    Winner： WATANABE, Takanobu

  • JSAP Young Scientist Presentation Award

    2000.11   The Japan Society of Applied Physics  

    Winner： WATANABE, Takanobu

  • Inoue Research Award

    1999.02   Inoue Foundation for Science  

    Winner： WATANABE, Takanobu

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • 垂直離着陸型羽ばたき飛翔ロボットの自律飛行制御

    Project Year :

    2018.10
    -
    2019.09
     

    渡邉 孝信

    Authorship： Principal investigator

  • Development of Silicon-Based Thermoelectric Device Utilizing Computational Phononics

    Project Year :

    2015.12
    -
    2019.03
     

    WATANABE, Takanobu

    Authorship： Principal investigator

  • 異種酸化物界面の分極を予測するマテリアル・インフォマティクスの開拓

    基盤研究(B)

    Project Year :

    2015.04
    -
    2018.03
     

    渡邉 孝信

    Authorship： Principal investigator

  • 二眼カメラを搭載したロボットに関し、ステレオ画像からの周辺情報取得技術の研究

    Project Year :

    2015.04
    -
    2017.03
     

    渡邉 孝信

    Authorship： Principal investigator

  • 計算科学を駆使したNiシリサイドナノワイヤ形成プロセスの完全制御

    挑戦的萌芽研究

    Project Year :

    2014.04
    -
    2017.03
     

    渡邉 孝信

    Authorship： Principal investigator

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Presentations 【 display / non-display 】

  • Scalable CMOS Thermoelectric Energy Harvester Using Si Nanowires

    WATANABE, Takanobu  [Invited]

    The 13th PACRIM conference 

    Presentation date： 2019.10

  • Cavity-Free Micro Thermoelectric Energy Harvester with Si Nanowires

    WATANABE, Takanobu  [Invited]

    235th ECS Meeting, G01: Silicon Compatible Emerging Materials 

    Presentation date： 2019.05

  • MOSプレーナプロセスで製造可能な微小熱電発電デバイス

    渡邉 孝信  [Invited]

    化学工学会 反応工学部会 CVD反応分科会第30回シンポジウム 

    Presentation date： 2019.03

  • シリコン製マイクロ熱電発電デバイスの開発

    渡邉 孝信  [Invited]

    ENEX2019 エネルギーハーベスティングセミナー 

    Presentation date： 2019.02

  • CMOS Friendly Silicon-based Micro Thermoelectric Generator

    WATANABE, Takanobu  [Invited]

    5th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN2019) 

    Presentation date： 2019.01

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • ナノスケール異種材料界面制御による熱マネジメント基盤の構築

    2020  

    　View Summary

    半導体集積回路における熱マネジメント、マイクロサイズの微小熱電発電デバイス技術の基礎として、薄膜積層材料の接合部の熱抵抗を、ナノスケール構造分析手法と大規模分子動力学シミュレーションを用いて調査した。微細デバイス内の熱制御では、材料そのものの熱抵抗と同等かそれ以上に、異種材料の界面熱抵抗が素子性能に大きなインパクトを与えることが明らかとなった。また、Si結晶表面の酸化膜の界面に沿った熱抵抗を分子動力学法で計算したところ、酸化膜の存在によって熱抵抗が著しく減少すること、その減少幅がSi基板の結晶面方位に依存することが明らかとなった。

  • ダイヤモンド基板を用いた急峻温度勾配マイクロ熱電変換工学の開拓

    2019   富田　基裕, 詹　天卓

    　View Summary

    単結晶ダイヤモンドなど高熱伝導度材料を基板に用いた、高出力微小熱電変換素子の創出に向けて予備的な検討を行った。基板の熱抵抗を含む熱電変換素子の解析的モデルを考案し、出力密度と熱電変換効率を定式化した。基板全体の熱抵抗を抑制することの有効性、表面の熱電変換素子と基板材料の間に低熱伝導率層を挟む必要性がより明確となった。昨年度に引き続き様々な異種材料界面の熱抵抗の評価実験に取り組み、界面熱抵抗がマイクロデバイスの排熱効率を左右する重要なファクターとなることを明らかにした。

  • ダイヤモンド基板上の非線形温度場による高出力熱電変換技術の創出

    2018   富田　基裕, 詹　天卓

    　View Summary

    単結晶ダイヤモンドなど高熱伝導度材料を基板に用いた、新方式の高出力微小熱電変換素子の創出に向け、予備的な検討を行った。基板の熱抵抗が熱電変換素子の出力に与える影響を有限要素法シミュレーションで詳しく解析し、基板全体の熱抵抗を抑制することが非常に有効であること、ただし基板表面に配置した熱電変換素子と基板材料の間には適度な厚さの低熱伝導率層が必要であることを明らかにした。また、単結晶ダイヤモンド基板の面内熱伝導率評価、および様々な異種材料界面の熱抵抗の評価実験に取り組み、現実的なデバイス動作解析に必要なパラメータを決定した。

  • 高熱伝導性基板上の非線形温度場による高出力熱電変換技術の創出

    2018   富田　基裕, 詹　天卓

    　View Summary

    高い熱伝導性を有する基板上に、空洞を開けずに作製できる新方式の微小熱電発電素子の開発を進めた。基板上に局所的に熱を注入した際に、注入口近傍の約数百ナノメートルの範囲に生じる非線形の急峻温度場を用いる本熱電素子では、熱電変換材料であるシリコンの長さを短くするほど熱起電圧が高くなる現象が観測されている。本研究では、このメカニズムを明らかにするため、非線形な温度分布下で発現するとされるベネディクス効果の可能性、ならびにフォノン・ドラッグ熱起電力の可能性を検討した。また、同熱電素子のコンパクトな等価回路モデルを考案し、微細化による発電パワー密度の向上の限界を調査した。

  • ナノワイヤ型シリコン熱電発電デバイスの開発

    2016  

    　View Summary

    本研究では、Siナノワイヤを用いた熱電発電デバイスの開発に取り組み、以下の成果を得た。１）スケーラブルなプレーナ型熱電発電デバイス構造の発明微細化、高集積化により単位面積当たりの発電ﾊﾟﾜｰが向上する平面型熱電発電デバイス構造を考案し、特許出願した。従来提案されていた平面型熱電発電デバイス構造と異なり、基板内部の熱流を遮断するための中空構造を設ける必要がない。２）Siナノワイヤ熱発電デバイスの試作Siナノワイヤを用いた熱電発電デバイスを試作し、ナノワイヤ長を短くすることで発電パワーが向上することを実証した。３）Siナノワイヤの異常熱電発電効果の観測と発現メカニズムの解明ｎ型半導体は負のゼーベック係数を示すが、本研究で作製したn型Siナノワイヤ熱電発電素子で正のゼーベック係数を観測した。この異常現象は、Siナノワイヤの表面準位に捕獲されたキャリアによるポテンシャル変調で説明できることが判明した。

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Syllabus 【 display / non-display 】

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Teaching Experience 【 display / non-display 】

  • 電子回路

    早稲田大学  

  • 制御工学

    早稲田大学  

  • 計算科学

    早稲田大学  

  • 電子デバイス

    早稲田大学  

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