Developing Science of Amorphous Phonon Engineering

• Project/Area Number: 22H00191
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 塩見 淳一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40451786)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 後藤 真宏 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主席研究員 (00343872) ; 許 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (20849533)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000); Fiscal Year 2022: ¥24,570,000 (Direct Cost: ¥18,900,000、Indirect Cost: ¥5,670,000)
• Keywords: フォノンエンジニアリング / 非晶質 / 熱輸送 / ナノ構造

Outline of Research at the Start

本研究では、①非晶質材料から成る超格子、ナノワイヤー、フォノニック結晶を系統的に作製して微細構造や熱伝導率を評価・解析し、②非弾性散乱実験よってフォノンの状態および緩和を直接計測することで、非晶質ナノ構造でのフォノンの振る舞いを明らかにする。さらに、③これらをもとに非晶質ナノ構造の界面・表面の熱輸送への影響を考慮した新しい理論モデルを構築して学理を深化させる。最終的には、この理論や学理を基に、熱伝導率を究極的に小さくする非晶質ナノ構造化材料を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これからの熱工学における重要な学術的な課題の１つとして「非晶質の熱輸送の学理の構築および、その工学的応用」を目標に掲げた。これまで結晶系で行ってきたナノ構造作製、ナノスケール熱計測、分子シミュレーションなどの技術が役に立つ一方で、非周期で不秩序な格子振動をどのように表現し評価するかが大きなチャレンジとなり、新たな理論体系、作製・計測手法の導入が不可欠となる。そのために、様々なクラスの非晶質ナノ構造の合成、微細構造解析、ナノスケール熱伝導測定、分子シミュレーションを組わせて新たな特徴量や相関を抽出し、非弾性散乱実験による非晶質中のフォノンの直接観察を通じて非晶質ナノ構造での伝搬や散乱の様式を明らかにし、非晶質系における熱輸送の新しい理論モデルおよび学理を構築することを目指した。
本年度は、非晶質超格子構造などの非晶質ナノ構造の作製を行い、熱キャリアの界面散乱（透過・反射）、表面散乱（反射）、構造の周期性による干渉効果などを検証するべく、組成や幾何学あるいは成膜条件などのプロセスパラメータを変えたナノ構造試料の作製、電子顕微鏡観察による構造解析、時間領域や周波数領域のサーモリフレクタンス法による熱伝導率評価、特徴量を抽出のための分子シミュレーション、非弾性X線散乱によるフォノンの直接観察などを計画していたが、基盤Sに採択されたことで、本基盤Aの研究実施期間が1ヶ月未満となったため、本研究としては、上記の項目の準備を行ったところで終了した。例えば、ナノ構造作製前のテストとして、基板にアモルファス均一膜を作製して電子顕微鏡観察や熱伝導率測定をするなどした。また、分子動力学シミュレーションで、メルトクエンチ法により均一構造を作り、平衡あるいは非平衡分子動力学法による計算を行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。