東大,熱の波動性を用いた熱伝導制御に成功

東京大学は,周期的なナノ構造を用い,熱の波動性を利用して熱伝導を制御できることを初めて実証した(ニュースリリース)。

伝導は熱の運び手であるフォノンの移動で説明され,ほぼ全ての熱伝導現象は粒子的な描像で説明されてきた。しかし,熱の本来の姿は原子などの振動であり波動性を持っているため,可干渉性が保たれた周期的な構造中では干渉を起こし,熱伝導が変化する可能性が指摘されていた。しかし,従来の電気的な測定手法では,一度に測定できる数に限りがあり,系統的で誤差の小さい実験は不可能だった。

研究グループは,試料として厚さ150nmのシリコンの薄膜に半径100nmほどの円孔をあけた両持ち梁構造を作製した。光を使って非接触で熱伝導計測を高精度に行なえる高速測定システムを開発し,従来の電気的手法では行なえない系統的で誤差の小さい実験が可能になった。

具体的には,梁の中央に位置するアルミ薄膜を光パルスで瞬間加熱して,別の温度変化観測用レーザーを用いることで測定対象となるナノ構造を通じた熱散逸時間を測定することができる。電気計測では,1㎝角の半導体チップあたり数個しか構造を用意できないが,この光学測定法では同一チップ上に1万個程度の構造を用意できるためプロセス誤差の影響をほとんど受けずに桁違いに多くの構造について測定を可能にした。

研究グループは,完全な周期性を持ったフォノニック結晶と,円孔の位置を方向,シフト量ともにランダムにずらした構造を多数用意し,熱伝導を比較した。これらの構造で,円孔の半径と数を同じにすることで,粒子的描像で説明できる散乱の効果をほぼ同一に保ったまま,波動性に起因する熱伝導の低減をうまく抽出して観測できるように工夫した。

実験の結果,一次元構造では10%,二次元構造では20%近い熱散逸レートの差が観測された。熱伝導が人工結晶の秩序によって変化する様子が明確に観測されており,完全結晶で熱伝導が抑制されるという理論的な予測と一致する。また,一般的な熱伝導を記述する拡散方程式や,粒子的な描像に基づくシミュレーションではなく,波動性を取り込んだ理論計算でうまく再現することができた。

研究成果は,これまで粒子的描像で記述されてきた熱伝導を,波動的性質を使った領域に拡張することを初めて明確に示したもの。そのため,固体中での熱流制御に新しい手法を提供し,フォノンエンジニアリング分野の基礎研究を発展させる成果。より微細な周期構造では室温でも効果が発現するため,半導体分野への応用が見込まれる。

光学分野が,幾何光学から波動光学に拡張されて技術が飛躍的に進歩したように,熱制御においても粒子性から熱の波動的性質を利用した伝熱制御技術の開発へと新たな段階を迎えているとしている。

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