2023 Fiscal Year Annual Research Report
Wave phonon engineering based on monolayer NEMS functionalized using sub-nanometer ion beam
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20K20442
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
水田 博 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | NEMS / グラフェン / ナノイオンビーム / 熱フォノン / 熱整流素子 / ナノメッシュ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R４年度で構築したEBによるナノフォノニック構造形成技術により、宙吊りグラフェンのチャネル半面に並列状のナノリボンを形成した非対称構造を作製し、その詳細な特性評価を行った。チャネル全体の長さLを500 nm、幅Wを 1200 nmに固定した上で、並列ナノリボンの幅Wnr：30～150 nm、間隔Dnrを112～204 nmと変化させて素子を作製した。熱流を担うフォノン伝導が準弾道的となるように全体のチャネル長Lをグラフェンのフォノン平均自由行程MFP～775 nmより短く設計した。試作した素子を系統的に評価した結果、リボン幅Wnrが90 nmより狭い極細ナノリボン並列チャネル構造（本数は５本）に対して、室温で熱整流性を観測することに成功した。熱整流率はナノリボン幅を細くするほど増大し、Wnr = 30 nmの素子では室温で40%を超える熱整流率が得られた。また、熱整流率の温度依存性については、これまでに得られた結果と同様に低温で増大する傾向が観測された。今回の並列ナノリボン構造で室温動作が実現された要因としては、極細ナノリボンチャネル幅方向での熱フォノン閉じ込め効果に加えて、ドライエッチングで形成したナノリボン内部に炭素原子の点欠陥が導入され、熱フォノン局在化の増長が加わったと解釈される。
一方、R４年度までに作製・評価した非対称ナノメッシュチャネル構造における熱整流のメカニズム解明においては、原子スケールでナノ形状（エッジおよびナノ孔）を考慮した非平衡分子動力学(NEMD)シミュレーションを実施した。これにより、ナノメッシュ領域のフォノン状態密度に熱フォノン局在ピークが生じ、ナノメッシュ内に高温の熱フォノンが選択的に束縛されることがわかった。これによって、熱バイアスの極性に依存して、チャネル内の温度分布の反転対称性が崩れることが見出された。
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