○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）

○発表のポイント
◆方向性なく固体中を拡散すると考えられてきた熱に指向性を与えられることを実証しました。
◆世界で初めて、固体中で熱流を一点に集中させる集熱に成功しました。
◆発熱が大きな問題となる半導体チップなどの放熱問題解決に寄与する、新しい構造設計手法を提供し、より高度な熱制御が可能になることが期待できます。

○発表概要
東京大学生産技術研究所の野村政宏准教授、Roman Anufriev氏（ロマン　アヌフリエフ東京大学特別研究員・日本学術振興会外国人特別研究員）、Aymeric Ramiere氏（エメリック　ラミエール東京大学特別研究員・日本学術振興会外国人特別研究員）らは、シリコン薄膜にナノ構造を形成することで熱流に指向性を与え、集熱に成功しました。
熱は固体中を四方八方に拡散するため、特定の方向に熱をより多く流すことはできず、より高度な熱マネジメントを必要とするデバイスなどで、熱流制御への期待が高まっています。本研究では、シリコン薄膜に規則正しくナノサイズの円孔を配列し、熱の運び手であるフォノン（注１）が直線的に移動する構造を形成することで、熱流に指向性を持たせることが可能なことを実証しました。そして、フォノンの指向性を利用し、フォノンが一点に集中するよう放射状に空孔を配置してレンズのような構造を形成した結果、熱流を100 nm程度のごく狭い領域に集熱することに世界で初めて成功しました。熱流方向制御技術と集熱技術は、熱制御技術に新しい選択肢を与え、激しい発熱を伴う半導体チップなどにおいて、高度な熱マネジメントにつながることが期待されます。

○発表内容
＜研究の背景と経緯＞
　エレクトロニクスとフォトニクスは、ナノテクノロジーに立脚して高度な発展を遂げました。しかし、熱に関しては大きなスケールでの取り扱いが主であり、ナノテクノロジーを積極的に利用して熱伝導を高度に取り扱う研究が始まったのは、つい最近のことです。固体中の熱伝導は、熱の運び手であるフォノンが移動する現象で、フォノンどうしが互いに衝突して輸送特性が決まる拡散現象になっています（図１）。しかし、フォノンの平均自由行程（注２）程度の小さな構造になると、フォノンどうしが衝突する前に構造に衝突するため、構造で熱伝導を制御できるようになります。そのため、ナノスケールのフォノン輸送をきちんと理解することが高度な熱制御に結びつき、本来材料だけで決まっていた熱特性をナノ構造化で制御できるようになってきました。

＜研究の内容＞
まず、試料と熱伝導測定の原理を説明します。ナノスケールにおける特殊な熱伝導を測定するため、厚さ150 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1万個程度用意できるため、一回の実験で桁違いに多くの構造について測定が可能なシステムが実現しました。これが本研究を可能にしたキーテクノロジーです。

次に、本研究の２つの成果を説明します。

（１）熱流に指向性を与えられることを実証
熱は方向性なく広がってゆくことが当たり前でしたが、本研究ではナノスケールで顕著になる、フォノンが平均自由行程内ではまっすぐに移動する性質（弾道性）に着目し、ナノ構造を直線的に配列することで熱流に指向性を与えられることを実証しました。図３のように温度勾配方向に対して縦横に規則正しく円孔を配列した構造（フォノニック結晶（注３））中をどのようにフォノンが移動するかを知るため、物理モデルを構築して計算しました。図の下から上に向かって熱が流れるとき、フォノニック結晶構造を抜けてきたフォノンは真上および真横方向に進む傾向が見られ、指向性を持つことがわかります。実験で確認するため、周期320nmのフォノニック結晶構造を抜けたフォノンが細線構造に入っていきやすい構造（結合構造）と、半周期横方向にずらして入りづらい構造（非結合構造）を用意し、熱散逸時間を計測しました。その結果、結合構造では非結合構造に比べて熱散逸時間が低温では16％、室温でも7％早いことがわかり、熱に指向性を持たせることが可能なことを世界で初めて実験的に示しました。

（２）固体中の集熱の実現
ナノ構造を放射状に配置してレンズのような働きを持たせ、固体において熱を一点に集中させる、集熱を実現しました。図４のように焦点となる一点から放射状に円孔を配置することで、レンズのような構造を作製しました。図の下から上に熱が流れるようにすることで、フォノンは焦点に向かって指向性をもって移動し、熱流が焦点に集中することがシミュレーションからわかりました。集熱の実証実験には、焦点位置とそこから右にずらした位置に熱の逃げ道となるスリットを設けた構造を複数用意し、熱散逸時間を計測しました。スリットが焦点位置にあるときに、最も熱散逸が早く、スリットが焦点位置からずれるにしたがい、熱散逸が遅くなることがわかりました。レンズ構造がない場合には、熱散逸時間はスリット位置に依存しないことを確認しており、フォノンの弾道的輸送特性を利用したこのレンズ構造により、世界で初めて固体中の集熱を実現しました。

＜本研究の意義と展望＞
本研究成果は、固体中での熱流制御に新しい選択肢をもたらし、フォノンエンジニアリング（注４）分野の基礎研究を発展させ、高度な熱マネジメントが望まれる半導体分野への応用が期待できます。本研究によって、半導体などにおける放熱性能の向上や、これまでに意識されていなかった熱流の指向性を考慮して積極利用する構造設計、局所的な熱流や温度分布を必要とする系への利用が考えられます。高度な熱制御は、放熱問題の解決などを通じてエレクトロニクスやフォトニクスの更なる発展に寄与することも期待できます。
本研究は、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）、文部科学省イノベーションシステム整備事業、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）、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：Nature Communications, 8 15505 (2017)
論文タイトル：Heat guiding and focusing using ballistic phonon transport in phononic nanostructures
著者： R. Anufriev, A. Ramiere, J. Maire, and M. Nomura
DOI番号：10.1038/ncomms15505
アブストラクトURL：https://www.nature.com/articles/ncomms15505

○問い合わせ先
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

　

図１　大きなスケールで見た熱拡散とナノスケールで見た弾道的フォノン輸送
フォノン輸送は、大きなスケールではフォノンどうしが衝突し合うことでランダムな方向への拡散現象になりますが、ナノスケールではフォノンどうしが衝突する前に構造界面に衝突するため、熱伝導が構造に依存するようになります。

　

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。

　

図３　熱に指向性を与えられるのか、という問いに答えるための実験
規則正しく配置したナノ構造の隙間をぬって輸送されるフォノンは指向性を持つことがシミュレーションで示唆され、シリコンナノ構造で実証されました。

　

図４　固体中での集熱が可能なことを実証した実験
指向性を持った熱流が焦点を形成するよう放射状に空孔を配置したレンズのような構造を作製しました。熱の逃げ道になるスリットを焦点から系統的にずらして配置した構造を複数用意し、熱散逸時間を比較しました。スリットが焦点にあるときに最も早く放熱されることがわかり、集熱が実現されていることがわかりました。

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）平均自由行程
粒子が他の粒子などの散乱体（ここではフォノンまたは構造界面）に衝突せずに進むことのできる距離。

（注３）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４）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。