ナノスケール材料の熱物性測定と評価

• Project/Area Number: 14J09110
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小宅 教文 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2014: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 熱伝導率 / フォノン / サーモリフレクタンス法 / BBFDTR / TDTR / フォノン平均自由行程 / 極低温熱伝導測定 / 熱伝導 / 界面熱コンダクタンス / フォノン輸送 / 熱物性測定

Outline of Annual Research Achievements

高性能な断熱材や熱電変換素子の実現のためには熱伝導率の低減が必要不可欠であり，ナノテクノロジーを駆使して実現されつつある．本年度はナノ構造を用いた熱伝導率低減のメカニズムを明らかにするためにエピタキシャルSiナノ構造体（SiNC）[1]とエピタキシャルSi/Geナノドット(Si/GeNDs)構造体[2]の熱伝導率測定を行い，数値計算を用いてそれらの熱伝導率を評価した．エピタキシャルSiナノ構造体（SiNC）は数nmサイズのSi粒子とその表面を覆う極薄のSi酸化膜によって構成され，1 W/mK以下という低熱伝導率を有する[1]．しかしながら，SiNCがアモルファスSi（2 W/mK）よりも低い熱伝導率を持つメカニズムには不明な点が多い．そこで本年度の研究では自作のレーザー測定装置を用いてSiNCの熱伝導率を測定した．数値計算を用いて粒径3 nmのSiNCの熱伝導率を解析すると，熱キャリアの緩和時間がCahill-Pohlの最小熱伝導率と一致し，熱キャリアが伝播せずに独立振動子として実行的に振る舞っていると示された．続いて，SiNCにGeナノドットを埋め込んだエピタキシャルSi/Geナノドット(Si/GeNDs)構造はSiNCと同様に低熱伝導率を持つと報告されているが[2]，その構造体による熱伝導低減のメカニズムには不明な点が多い．そこで上述のSiNCと同様にSi/GeNDs構造体の熱伝導率を測定し，数値計算手法を用いてSi/GeNDs構造体の熱伝導率低減を評価した．その結果，酸化膜による界面散乱とGe粒子散乱の組み合わせによって効率的に熱伝導率低減が可能であると明らかになった．
1 Y. Nakamura, et al., Nano Energy 12, 845 (2015).
2 S. Yamasaka, et al., Sci. Rep. 5, (2015).

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Universidad de Zaragoza(スペイン)
• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology(米国)
• [Journal Article] Filler-depletion layer adjacent to interface impacts performance of thermal interface material (2016)
  • Author(s): S. Yada, T. Oyake, M. Sakata, and J. Shiomi
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 6 Issue: 1 Pages: 015117-015117
  • DOI: 10.1063/1.4941354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of anomalous Nernst effects in metallic multilayers free from proximity-induced magnetism (2015)
  • Author(s): K. Uchida, T. Kikkawa, T. Seki, T. Oyake, J. Shiomi, Z. Qiu, K. Takanashi, and E. Saitoh,
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Issue: 9 Pages: 094414-094414
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.094414
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers (2015)
  • Author(s): R. Ramos, T. Kikkawa, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadon, T. Oyake, K. Uchida, H. Adachi, J. Shiomi, P. A. Algarabel, L. Morellon, S. Maekawa, E. Saitoh, and M. R. Ibarra
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Issue: 22 Pages: 220407-220407
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.220407
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nanoscale thermal conductivity spectroscopy by using gold nano-islands heat absorbers (2015)
  • Author(s): Takafumi Oyake, Masanori Sakata, Junichiro Shiomi,
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 106 Issue: 7 Pages: 073102-1
  • DOI: 10.1063/1.4913311
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 時間領域サーモリフレクタンス法を用いた固液界面の熱輸送評価 (2016)
  • Author(s): 小宅教文，坂田昌則，谷田進，塩見淳一郎
  • Organizer: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県，博多区）
  • Year and Date: 2016-06-03
• [Presentation] Thermal boundary conductance of hydrophilic and hydrophobic ionic liquids (2015)
  • Author(s): Takafumi Oyake, Masanori Sakata, Susumu Yada, and Junichiro Shiomi,
  • Organizer: American Physics Society (APS) 2015 Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Antonio, USA
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] 低熱伝導材料のフォノン平均自由行程の測定 (2014)
  • Author(s): 小宅教文，坂田昌則，塩見淳一郎
  • Organizer: 第6回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • Place of Presentation: くにびきメッセ，島根
  • Year and Date: 2014-10-20 – 2014-10-22