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プレスリリース
熱の波動性を用いた熱伝導制御に成功~フォノンエンジニアリングによる高度な熱伝導制御へ~

○発表者
野村 政宏(東京大学 生産技術研究所附属マイクロナノ学際研究センター 准教授 兼 東京大学 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 准教授)

○発表のポイント
◆従来、熱伝導はフォノンと呼ばれる熱を運ぶ粒子の移動で説明されてきました。
◆フォノニック結晶と呼ばれる人工結晶構造の秩序を制御することで、熱本来の「波動性」を利用して熱伝導を制御できることを世界で初めて実証しました。
◆光の波動性を利用することで光学技術が飛躍的に発展したように、熱の波動性を積極利用したフォノンエンジニアリングによって高度な熱伝導制御技術の実現が期待されます。

○発表概要
東京大学 生産技術研究所の野村 政宏 准教授らは、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ました。
熱伝導は熱の運び手であるフォノン(注1)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ました。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ました(図1)。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でした。
本研究では、光を使って非接触で熱伝導計測を高精度に行える高速測定システム(図2)を開発し、シリコン薄膜に周期的に円孔をあけた構造(フォノニック結晶(注2))と、その周期性をわざと乱した構造の熱伝導を高精度で比較しました。その結果、周期性を少し乱すだけで熱伝導が変化することを初めて見いだし、熱の波動性を利用して熱伝導を制御できることを実証しました。今回の実証実験は、低温下で行われましたが、今後、より微細な構造を用いることで室温においても効果が見込まれ、より高度な熱伝導制御技術の実現が期待できます。本成果は、2017年8月4日(米国東部時間)に米国科学誌「Science Advances」オンライン版に掲載されました。

○発表内容
<研究の背景と経緯>
固体中のほぼ全ての熱伝導現象は、粒子的な描像で説明できるため、熱本来の姿である原子や分子の振動で捉えたときに重要な、位相の概念が出てくることはありません。しかし、固体における熱の正体が原子や分子の振動であることは古くから知られており、周期的な構造中では熱伝導も変化するのではないか、と考えられていました。振動が伝搬しながら周期構造中で何度も散乱されて干渉し、伝搬しにくくなるために熱伝導の低減が期待されますが、その観測は容易ではありませんでした。フォノニック結晶構造を作製すると、材料に新たな界面ができて散乱が増えるため、波動的な効果がなくても熱伝導は低減されます。したがって、波動性に起因する干渉効果と波動性がなくても生じる散乱効果それぞれを切り分けて観測すること自体が困難となっていました。そこで、本研究では、孔加工によって新たにできる界面の表面積を同じにしつつ、系統的に周期性の乱れの度合いを変えた多数の構造を作製することで、干渉効果だけを抽出できるよう工夫しました。

<研究の内容>
① 試料と熱伝導測定の原理
本研究グループは、試料として厚さ150ナノメートル(nm)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ました。本研究で開発した、光を使って非接触で熱伝導計測を高精度に行える高速測定システム(図2)を用いることで、従来の電気的手法では行えない系統的で誤差の小さい実験が可能になりました。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ます。電気計測では、1cm角の半導体チップあたり数個しか構造を用意できませんが、本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ました。本研究の実証には、短い周期構造を系統的に変えた多数の構造について測定する必要があり、本測定法はこの研究を可能にしたキーテクノロジーとなります。実験は液体ヘリウムを用いて3.7ケルビン(K)で行いました。
② 本研究の成果
本研究グループは、(図3)に示すような完全な周期性をも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、熱伝導を比較しました。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ました。
図4に、熱の波動性を利用して熱伝導を変化させることに成功した実験結果を示します。一次元および二次元構造の両方について実験を行いました。上側のグラフの縦軸は、図3の両持ち梁構造上のアルミ薄膜から、それに接続されたフォノニックナノ構造を通じて熱が散逸する速さです。横軸は、格子定数(300nm)に対してどのくらい円孔の位置がずれているかを示しています。δ=0%は、ずれがなく完全な周期性を保ったフォノニック結晶であり、δ=10%は円孔が完全結晶の位置から30nm以内でランダムな方向にシフトした構造で、人工結晶の秩序が乱れた構造です。秩序が大きく乱れると熱散逸レートはほぼ同じ値をとりますが、完全結晶に近づいていくほど、熱が伝わりにくくなっていく様子が観測されました。完全結晶と秩序が乱れた構造の散逸レートの差Δδを示したのが下側の図です。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ました。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します。また、一般的な熱伝導を記述する拡散方程式(黒線)や、粒子的な描像に基づくシミュレーション(青丸)ではなく、波動性を取り込んだ理論計算(赤線)でうまく再現することができました。円孔側壁における散乱過程で波の可干渉性が破壊されないよう、滑らかな表面が得られるよう加工することで、さらに大きな効果を得ることができます。

<本研究の意義と展望>
本研究成果は、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成果といえます。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(注3)分野の基礎研究を発展させる成果です。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ます。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ます。

本研究は、文部科学省 イノベーションシステム整備事業・先端融合領域イノベーション創出拠点形成プログラム「ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点」(実施代表者:荒川 泰彦)、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」(研究総括:谷口 研二)の研究課題「熱フォノニクスの学理創出と高効率熱電変換への応用」(グラントNo.JPMJPR15R4)、日本学術振興会 科学研究費補助金 新学術領域研究「ハイブリッド量子科学」(代表者:平山 祥郎)、若手研究(A)「ナノ加工によるSi熱電変換デバイスの創製」(代表者:野村 政宏)、および挑戦的萌芽研究「光波制御技術の伝熱工学への応用可能性の探求」(代表者:野村 政宏)の一環として行われました。

○発表雑誌
雑誌名:Science Advances 3, e1700027 (2017).
論文タイトル:Heat conduction tuning by wave nature of phonons
著者:J. Maire, R. Anufriev, A. Ramiere, R. Yanagisawa, S. Volz, and M. Nomura
DOI番号:10.1126/sciadv.1700027
アブストラクトURL: http://advances.sciencemag.org/content/3/8/e1700027

○問い合わせ先
<研究に関すること>
東京大学 生産技術研究所 附属マイクロナノ学際研究センター
准教授 野村 政宏(のむら まさひろ)
Tel:03-5452-6303
研究室URL:http://www.nlab.iis.u-tokyo.ac.jp/

<JST事業に関すること>
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
中村 幹(なかむら つよし)
Tel:03-3512-3525 Fax:03-3222-2066

資料

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図1 粒子的描像と波動的描像による熱伝導の解釈
一般的に、熱伝導は熱を運ぶ粒子「フォノン」が移動する粒子的な描像で理解されます。一方で、熱の起源である原子などの振動を主役とし、熱伝導を振動が伝搬すると捉える波動的描像があります。本研究では、波動的な描像でのみ説明される熱伝導の変化を実証しました。

 
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図2 研究に用いたナノ構造の熱伝導計測用光学システムと測定原理
ナノ構造の熱伝導は、一般的に電気的手法であるマイクロヒーターと温度測定素子を用いますが、本研究の光学的手法は桁違いの高い処理能力を実現しており、系統的でより誤差の小さい測定が可能です。

 
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図3 測定に用いた一次元および二次元フォノニックナノ構造の概略図(左)と走査型電子顕微鏡写真
面内の熱伝導を精密に測定するため、両持ち梁構造にしています。周期300nmの正方格子状に円孔を配列し、完全な周期構造(フォノニック結晶)と円孔位置をランダムにずらして人工結晶の秩序(周期性)を乱した構造を作製し、熱伝導を比較する実験を行いました。

 
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図4 熱の波動性を利用して熱伝導が制御できることを示した実験結果
周期性が完全に近づくほど熱散逸レートが下がっており、熱が人工結晶の周期性の影響を受けながら伝導していることがわかります。実験結果は、熱伝導計算で一般的に用いられる拡散方程式による計算(黒線)や、粒子描像に基づく計算(青丸)ではなく、波動性を考慮したモデルを立てた計算(赤線)で説明することができます。

用語解説

(注1)フォノン
振動を量子化した準粒子のこと。振動が伝わっていく様子を粒子が移動するようにみなすことができ、固体中の熱伝導はさまざまなエネルギーを持ったフォノンの集団輸送である。

(注2)フォノニック結晶
人工的な周期構造を持つ全体構造のことで、特にフォノンの輸送特性に影響を与えるものを指す。

(注3)フォノンエンジニアリング
ナノスケールにおけるフォノン輸送の物理的理解に基づいて、フォノンおよび熱伝導を制御することにより、材料開発からデバイス応用までをターゲットとしたさまざまな階層と広範な分野に関わる学問・技術分野のこと。

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