2023 Fiscal Year Annual Research Report
Heterointerface phonon-transport analysis by nanometer-resolution electron spectroscopy
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22H01959
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
吉川 純 国立研究開発法人物質・材料研究機構, マテリアル基盤研究センター, 主幹研究員 (20435754)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | フォノン / EELS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、熱を運ぶ結晶格子の振動（フォノン）の視点に立ち、どの振動モードでどの波数ベクトル（単位長さあたりの振動の数と振動が伝わる方向）とエネルギーを持つフォノンが、異なる半導体材料同士の界面（ヘテロ界面）においてどれだけの割合で透過、散乱されるか、を実計測で明らかにすることを目指す。そのため、1ナノメートル（10億分の1メートル）の位置分解能で波数分解できる電子分光イメージングによるフォノン計測技術を開発し、温度勾配のなかに置かれたヘテロ界面でのフォノン輸送解析法の確立を目指している。2022年度に、散乱ベクトル分解・電子エネルギー損失分光法（EELS）を基軸として、 本研究の基盤技術となる、音響フォノンを用いた室温～300℃域の高精度温度計測技術と、ナノメートルスケール温度分布計測技術、をおおむね確立することができた。これらの成果は音響フォノンを活用した新しい技術であり、世界に先駆けて成功することができた。1,2ナノメートルの高位置分解能で温度が計測できる点で、局所領域の熱輸送を計測・解析する際に重要な技術である。
2023年度は、当初計画に沿って半導体ヘテロ接合ナノワイヤを作製する一方で、主題から少し逸れるが、研究過程で現れた格子欠陥準位や同位体濃縮効果の分光に関して計測・解析を実施した。窒化ホウ素のバンドギャップ内に導入された発光に関わる欠陥準位をEELSで測定することに世界で初めて成功した。半導体内の格子欠陥は、後々フォノン輸送について解析する際に重要になりうる。また、本研究の計測技術の一部を他の研究（エポキシ樹脂の電子照射損傷）にも応用し、学術雑誌に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに下記の（１）（２）を確立した。さらに、現在（３）を中心に取り組んでいる。当初の計画に沿って、おおむね順調に進んでいる。
（１）音響フォノンを用いた室温～300℃域の高精度温度計測技術： ダイヤモンド結晶中の音響フォノンを用いて、フォノンの生成と消失の確率比がボルツマン係数に比例すること（詳細釣り合いの原理）に基づき、室温～300℃の比較的低温域で高精度に温度を測定できることを実証できた。音響フォノンを用いることで、位置分解能が低下する光学フォノンと違って、電子プローブ直径1-2nmの位置分解能で温度測定できることも示した。
（２）ナノメートルスケール温度分布計測技術の開発： ダイヤモンド結晶を微細加工して作製したナノワイヤをMEMSチップ上に固定して、ナノワイヤ両端に電圧をかけて通電することで自己ジュール発熱させた状態で、音響フォノンをEELS計測した。各電子プローブ位置（各ピクセル）の信号／ノイズ比が小さかったため、音響フォノンの生成と消失の確率比を評価するためにピクセル数を積算して位置分解能を落として、ナノワイヤ軸に沿った温度勾配を評価した。1-2nmの位置分解能で温度分布を得るには、各電子プローブ位置の信号／ノイズ比を大きくする必要がある。また、ナノワイヤの伝導電子の経路とフォノンの経路を判定し、ジュール加熱機構を明らかにした。
（３）ヘテロ界面フォノン解析の取り組み：熱の流れあるヘテロ界面近傍でフォノン計測をする技術を開発するため、（１）と同様に、ヘテロ接合結晶体を微細加工して作製した半導体ヘテロ接合ナノワイヤをMEMSチップ上に固定して、ナノワイヤ両端に電圧をかけて通電することで自己ジュール発熱を試みている。現在、電気特性を詳細に調べている。
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| Strategy for Future Research Activity |
次のステージとして、フォノンの流れを検出し可視化する技術の確立と、ヘテロ界面を横断するフォノン流の解析技術の確立を目指す。具体的には次のように進める予定である。
（１）温度勾配MEMSチップの作製： 温度勾配を制御可能な電子顕微鏡用のMEMSチップを作製する。MEMSチップ上にマイクロヒーターを設置して、微細加工した試料内に温度勾配を発生させる。
（２）フォノン流の検出と可視化技術の開発： 高速電子とフォノンの相互作用を理論的に考察したうえで、温度勾配を持つ試料内での熱励起フォノンの流れの向きと波数と数密度をナノメートルスケールで計測する技法を開発する。半導体ナノワイヤを用いて、ワイヤ軸に沿った熱励起フォノンに着目する。続いて、スペクトルイメージング法で温度と熱励起フォノンの強度の可視化を目指す。
（３）ヘテロ界面を横断するフォノン流の解析技術の開発： （２）の発展として、ヘテロ接合したナノワイヤを用意し、ヘテロ界面を横断するフォノン流の計測・解析技術の確立を目指す。特に界面付近に着目し、フォノンのモードや流れの向き、波数、数密度が界面での反射・透過による変化を検出する。温度勾配の向きによる違いも調べる。
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