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Thermal energy trap by a surface phonon polariton cavity

Research Project

Project/Area Number 18F18725
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Research Field Nanostructural physics
Research InstitutionThe University of Tokyo
Host Researcher 野村 政宏  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
Foreign Research Fellow GLUCHKO SERGEI  東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2018-07-25 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords熱伝導 / フォノン / ナノ構造 / phonon polariton / phonon engineering
Outline of Annual Research Achievements

シリコン薄膜に電子線描画やドライエッチング装置を用いてナノ構造を作製し、ナノ構造化がフォノン輸送および熱伝導に与える影響を評価した。また、その知見に基づいて、ナノ構造化による熱伝導制御の新技術開発を行った。主な研究実績は大きく2つに分けられる。
① 非対称ナノ構造を形成したシリコン薄膜による熱伝導の異方性検討:強く空間対称性が破れた構造をシリコン薄膜に形成し、熱流方向によって熱伝導に差が出るかどうかの実証実験に挑戦した。円孔と比較して、切り込みをいれた場合、フォノンの散乱効果が強くなるため、熱伝導率の低下が顕著になることが観測された。本成果はApplied Physics Lettersに出版され、欧州の国際会議で発表された。
② シリコンナノコーン構造の導入に熱伝導制御法の開発:シリコン薄膜中にナノ構造を導入することで熱伝導制御を行う方法が一般的であるが、熱フォノンはシリコン表面で散乱を受けることで、面内輸送を変化させるため、ナノ構造を表面に導入することでも熱伝導制御が可能なはずである。この予想に基づいて、ドライエッチング条件を制御しナノコーン構造を導入することで、フォノンの後方散乱を強化することを試みた。その結果、シリコン薄膜にナノコーン構造を導入するだけで、熱伝導率が50%程度にまで大幅に減少させられることを実証した。このプロセスは、あらかじめ電子線描画などのプロセスが不要な、セルフマスキングプロセスであり、安価で大面積なプロセスである。したがって、スループットが要求される応用に適した、低熱伝導率化手法を見出すことができたと言え、熱電変換デバイス開発などへの応用が可能である。本成果は、ACS Appl. Mat. & Int.に発表された。本論文のインパクトファクターは、8.1であり、本研究の重要性は高いと言える。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(7 results)

All 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] On the reduction and rectification of thermal conduction using phononic crystals with pacman-shaped holes2019

    • Author(s)
      Gluchko Sergei、Anufriev Roman、Yanagisawa Ryoto、Volz Sebastian、Nomura Masahiro
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 114 Pages: 023102-023102

    • DOI

      10.1063/1.5079931

    • Related Report
      2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermal Conductivity Reduction in a Silicon Thin Film with Nanocones2019

    • Author(s)
      Huang Xin、Gluchko Sergei、Anufriev Roman、Volz Sebastian、Nomura Masahiro
    • Journal Title

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      Volume: 11 Pages: 34394-34394

    • DOI

      10.1021/acsami.9b08797

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quasi-ballistic heat conduction due to Levy phonon flights in silicon nanowires2018

    • Author(s)
      R. Anufriev, S. Gluchko, S. Volz, and M. Nomura
    • Journal Title

      ACS nano

      Volume: 12 Pages: 11928-11935

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phonon transport in silicon phononic crystals with pacman holes2019

    • Author(s)
      S. Gluchko, R. Anufriev, R. Yanagisawa, S. Volz, M. Nomura
    • Organizer
      LIMMS-Next PV Joint Energy Workshop
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phonon transport in silicon phononic crystals with pacman holes2018

    • Author(s)
      S. Gluchko, R. Anufriev, R. Yanagisawa, S. Volz, and M. Nomura
    • Organizer
      Nanoscale and Microscale Heat Transfer VI
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Heat Conduction by Long-range Electromagnetic Surface Waves in Submicron Dielectric Films2018

    • Author(s)
      S. Gluchko, R. Anufriev, R. Yanagisawa, S. Volz, and M Nomura
    • Organizer
      PIERS 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thermal properties of silicon phononic crystals with pacman holes2018

    • Author(s)
      S. Gluchko, R. Anufriev, R. Yanagisawa, S. Volz, M. Nomura
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-07-26   Modified: 2021-01-27  

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