| 研究課題/領域番号 |
20J13729
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分28020:ナノ構造物理関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
立川 冴子 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
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| キーワード | ナノスケール熱伝導 / 輻射熱輸送 / 表面フォノンポラリトン / MEMS / 輻射 / 伝熱 / 3ω法 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
温度の高い平面と温度の低い平面が接していると、伝導により、熱い平面から冷たい平面へと熱が伝わる。二つの平面が離れている場合は、輻射により、熱が伝わる。では、平面同士を近づけていき、間隔が波長より小さいが原子間隔より大きい数nm程度になったとき、熱は輻射により伝わるのか、伝導により伝わるのか。平面間隔が数nmの領域というのは、輻射から伝導による伝熱への移行の領域であり、未開拓の領域である。本研究では、ヒーターと熱センサーおよび、センサーをヒーターの方へ動かすアクチュエーターを集積したMEMSを作製し、TEM内に搭載して熱測定を行うことで、未解明の伝熱機構を実験的に明らかにすることを試みる。
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| 研究実績の概要 |
マイクロヒーターとマイクロ熱センサーを集積したデバイスを作製し、10 μmのギャップを介して面内方向に並べ、真空中での熱輸送計測を行った。デバイス作製については、表面フォノンポラリトンを誘起するためSiO2/Si/SiO2の3層膜構造を有するマイクロヒーターとマイクロセンサーを作製した。酸化膜は30-200 nmと暑さを変化させ、酸化膜による影響を調べるため、Siのみのデバイスも作製した。熱測定については、交流信号を用いる3ω法と、ホイートストンブリッジ法を組み合わせた高精度な系を組み立てた。ヒーター側では、マイクロヒーターに1ωで振動する電流を入力し、2ωで振動する温度変化に伴い変化する電気抵抗と、1ωで振動する入力電流との掛け合わせで生成される 3ω成分をロックイン抽出し、マイクロヒーターの温度上昇を算出する。センサー側においては、微小電流を流すことで、ヒーターから伝わる2ωの温度変化に伴う電気抵抗の変化をホイートストンブリッジとロックインアンプで抽出し、マイクロセンサーの温度上昇を算出す る。ヒーターおよびセンサーの温度上昇と入力電力から、ギャップの熱コンダクタンスを求めた。
シリコンのみのデバイスについてギャップのコンダクタンスを計測したところ、従来のプランク則に従う値が得られたが、3層構造についてギャップコンダクタンスはシリコンのみの場合より約2倍の値を示し、黒体輻射限界をも上回る結果となった。表面フォノンポラリトンのエネルギー分布をシミュレーションにより分析すると、酸化膜で励起された表面フォノンポラリトンは非吸収体であるSi内を主に伝播し、面内方向に放出されることがわかった。そのため、黒体輻射限界を超える高効率なエネルギー交換が可能となったのだと考える。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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