金属ナノ細線の量子化熱輸送特性の計測

Research Project

Project/Area Number	23K17903
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	夛田博一大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (40216974)
Project Period (FY)	2023-06-30 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000) Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Keywords	金属ナノ接合 / 量子化熱伝導 / 量子化電気伝導 / 熱伝導度 / 金属ナノワイヤー / 量子化コンダクタンス
Outline of Research at the Start	ナノ構造における電子や光の振る舞いの理解に比べ、フォノンの振る舞いの体系的な理解が遅れているとの指摘がある。構造的に安定したナノ構造の作製と広い温度範囲での精度の良い熱伝導度の計測が難しいことが要因と考えられる。ナノ構造における熱の輸送について、フォノンによる寄与がどのようになるかは、古くから議論の対象となってきた。金属の種類や構造によってはフォノンの寄与が無視できないことが指摘されており、基礎学理的な興味に加え、熱電変換素子の開発にブレークスルーをもたらす可能性がある。
Outline of Annual Research Achievements	金属電極の接合部分を原子スケールにまで小さくすると、室温下でも量子効果が強く現れることが理論的に予測されている。これまで、STM を用いた実験で、ナノ接合の電気伝導度や熱起電力、熱伝導度の量子効果も計測できるようになっている。本研究では、金属ナノ接合、ヒーター、温度センサーを窒化シリコン膜上に電子ビームリソグラフィーを中止とする微細加工技術によって作り込み、クライオスタットに組み込むことでナノ金属接合の電気伝導度と熱伝導度の温度依存性を同時計測した。ナノ接合の作製は、エレクトロマイグレーションによって、幅 100 nm、厚み 50 nm の金細線を狭窄化して行った。この際、断熱性の高い環境で問題となる通電時の急激な温度上昇に伴う細線の抵抗変化を考慮した新たな制御アルゴリズムを開発することで再現性の良いナノ接合の作製が可能となった。これにより、幅 100 nm 程度のナノ細線から数原子程度のナノ接合が形成されるまでの一連の過程を観察できる手法を確立した。電気伝導度および熱伝導度を 300 K から 20K までの温度範囲で計測したところ、電気伝導度はほぼ一定に保たれているのに対し、熱伝導度は温度に対して比例して変化した。これは、電子による熱伝導を仮定した量子化熱コンダクタンスの定義ともよく一致し、測定結果から見積もられるフォノンによる熱伝導は、室温での熱伝導度の 6 %程度であり、理論計算による予測とも一致し、広い温度範囲で、ナノ接合の熱伝導度と電気伝導度を測定できる手法を確立した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 素子外部との熱の出入りを最小限にするために確立した宙空構造の作製技術を利用し、極低温でも安定して測定できる環境を整えた。素子が測定途中で壊れてしまうことが一定の確率でおこっていたが、素子の作製プロセスの工夫に加え、測定プログラムを見直すことで、改善された。
Strategy for Future Research Activity	今後は、金属の種類や構造を変化させるため、メッキによる薄膜作製を取り入れるとともに、熱伝導度、熱起電力、電気伝導度を広い温度範囲で安定に同時計測し、理論的な予測のみにとどまっていた現象を実験面から検証する。安定して測定できる素子の歩留まりをあげるため、電極部分の作製プロセスを再検討する。