二次元原子層における異種層間熱伝達機構の実験的解明

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18880
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 有江 隆之 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80533017)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 秋田 成司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202529)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: 二次元原子層 / 熱伝導 / 界面熱抵抗

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、種類の異なる2次元材料を積層し、層間の熱伝導を独自の方法で見積もることで、次世代電子デバイスとして期待されている2次元積層ヘテロデバイスの動作時の効果的な排熱に資する知見を得ることを目的としている。
初年度である今年度は、積層構造として単純なグラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）を選択し、機械剥離によりそれぞれ電極上へ積層させた。ここで熱源としてグラフェン中に電流を印加し、発生したジュール熱がhBNへと流れていく系とした。温度計測は従来通りラマン分光を用いピークシフトにより温度を見積もる手法を利用することとした。
積層構造として同時に温度を見積もるためには、一度のラマンスペクトル計測からグラフェンとhBNのピークを同時に検出する必要がある。ここで、使用するグラフェンが薄くhBNが厚すぎるとグラフェンのピークがhBNのピークに埋もれてしまい、ピークシフトが検出できなかった。そこで多層グラフェンを下地としてhBNの厚さを調整し、同時に検出したピークのシフトから材料間の熱コンダクタンスを求めたところ、およそ20MW/m^2Kとであることが分かった。この値は報告されている他の2次元材料の値とも同程度であり、本手法によって界面熱抵抗が同定可能であることを実証した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

もっとも単純な系であるグラフェン－hBNの積層構造において、一度のラマン分光計測により同時にそれぞれの材料間の温度差を計測し、熱コンダクタンスを見積もった。顕微鏡ステージのドリフト等の問題により測定精度にはやや難があるが、概ね報告されている値と近い結果となった。現段階では多層材料内の平均的な温度を計測し、材料間の熱コンダクタンスを見積もっているに過ぎず、手法自体は確かに層間計測にも転用できることが実証されたがやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

層間熱伝導を明らかにするためには、単層の2次元材料を積層しデバイスを作製することが必要である。機械剥離時に顕微鏡のステージ温度を調整することで再現性の良い積層デバイス作製法を確立する。またステージ制御や計測手法の見直しにより、計測時の精度向上を検討する。グラフェンーhBNで確立した層間熱伝導計測を他の2次元材料にも応用することで、デバイス動作時の効率的な排熱に繋げる。

Causes of Carryover

当初予定していた温度可変XYステージの購入を、XYステージとステージヒーターを別個に購入し自分で組み上げたために使用額の差異が生じた。また研究がやや遅れ気味のために、購入予定であったデバイス作製部材が抑えられたことも差異が生じた理由である。次年度のデバイス作製部材や2次元原子層材料の購入に充てる。