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固体材料における第二音波の実験的検討

研究課題

研究課題/領域番号 21J12652
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分28020:ナノ構造物理関連
研究機関東京大学

研究代表者

HUANG XIN  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードPhonon hydrodynamics / Phonon Poiseuille flow / Isotopic enrichment / Graphite ribbon / Phonon BTE / Phonon transport
研究開始時の研究の概要

As a long-standing topic that be highly revisited in recent days, the concept of phonon hydrodynamics makes researchers to reconsider the possibilities of phonons and motivates theoreticians and experimenters to further explore it from microscale to nanoscale.
To my best knowledge, it is the first experimental investigation of phonon transport in nanoscale graphite ribbons to demonstrate the peculiar temperature and width dependence of thermal properties caused by hydrodynamic effects in 4-300 K temperature range.

研究実績の概要

Firstly, we investigated the strength of phonon hydrodynamic flow in finite-sized isotopically purified graphite structures based on a direct solution of the phonon Boltzmann equation with ab initio scattering rates. We found that with the widening of the structure from 2 to 10μm, the hydrodynamic strength enhances owing to larger space for dominant normal processes over the diffuse boundary scattering. Our mapping of the hydrodynamic strength provides straightforward and crucial information in future attempts to observe prominent hydrodynamic heat flow.

Furthermore, based on the suspended microstructure system and the μ-TDTR method, we selected high-quality graphite samples and measured thermal conductivity in a wider temperature range of 10-300K. At 90K, isotope enrichment plays an important role in phonon transport, resulting in an enormous enhancement of thermal conductivity of purified graphite ribbon compared to that of the natural one by 105%. Following our newly advocated more explicit criteria, we observed an enhancement of thermal conductivity over the ballistic thermal conductance by 51% from 40 to 90K. In our updated results, we demonstrated unambiguous experimental evidence of phonon Poiseuille flow in an 5.5μm-wide isotopically purified graphite ribbon up to 90K, which is much elevated compared to the temperature range of previous observations in other solid-state materials. This research provides a deeper understanding of phonon transport in the hydrodynamic regime and opens innovative possibilities for thermal management in modern electronic devices.

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Observation of phonon Poiseuille flow in isotopically purified graphite ribbons2023

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Guo Yangyu、Wu Yunhui、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Zhang Zhongwei、Volz Sebastian、Machida Tomoki、Nomura Masahiro
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 2044-2044

    • DOI

      10.1038/s41467-023-37380-5

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Mapping phonon hydrodynamic strength in micrometer-scale graphite structures2022

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Guo Yangyu、Volz Sebastian、Nomura Masahiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 号: 10 ページ: 105001-105001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac8f82

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Reexamine the criteria of phonon Poiseuille flow in graphite and its observation reaching 90 K2023

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Guo Yangyu、Wu Yunhui、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Zhang Zhongwei、Volz Sebastian、Machida Tomoki、Nomura Masahiro
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Transition from ballistic to hydrodynamic phonon transport regime in submicroscale purified graphite ribbons2022

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Guo Yangyu、Wu Yunhui、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Zhang Zhongwei、Volz Sebastian、Machida Tomoki、Nomura Masahiro
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Hydrodynamic phonon transport in graphite micro ribbons2022

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Nomura Masahiro
    • 学会等名
      International Conference on Thermodynamics and Thermal Metamaterials 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Phonon hydrodynamic conduction facilitated with isotopic enrichment2022

    • 著者名/発表者名
      Huang Xin、Guo Yangyu、Wu Yunhui、Masubuchi Satoru、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Zhang Zhongwei、Volz Sebastian、Machida Tomoki、Nomura Masahiro
    • 学会等名
      Nanoscale and Microscale Heat Transfer VII
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of phonon Poiseuille flow in purified graphite crystals2022

    • 著者名/発表者名
      Xin Huang
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Phonon Poiseuille flow in isotopically purified submicron graphite ribbons2022

    • 著者名/発表者名
      Xin Huang
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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