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我々はこれまで分子動力学(MD)計算を用いて、Siナノワイヤ(Si-NW)の表面にSi結晶に酸化膜を付与しその酸化膜の膜厚を厚くすることで熱伝導率が減少することを報告していたが、一方、酸化を行う結晶方位が熱伝導率にどのような影響を与えるかという研究は前例がなかった。MD計算によって得られた原子振動の軌跡をフーリエ変換した後に、着目したい周波数のフォノンモードのみを取り出して逆フーリエ変換する手法を開発することでSiO2/Si界面における低波数の伝導しないと考えられるフォノンの分布を調査することを可能とした。この調査によって熱酸化SiO2/Si界面では応力の強い部分と弱い部分が不均一に分散しており、中でも応力が集中している部分で低波数のフォノンが生じていることが分かった。
詳しく応力分布と低波数フォノンの分布を見比べると、歪んだSi領域に囲まれた無歪のSiクラスターが振動しているように見える。この領域が点在していてラットリング現象のように熱伝導率を下げていると考える。以上のことから、熱伝導率低下には不均一な応力分布が肝要であり、SiO2/Si界面に化学的な結合を生じない成膜手法では熱伝導率低下の効果が見込めないと推察できる。実際、ラマン分光法により熱酸化SiO2/Si界面とTEOS-CVD-SiO2/Si界面におけるSi内部の熱伝導率変化を評価したところ熱酸化SiO2/Si界面の方がもう一方よりも熱伝導率が低下していることを確認した。
今年度は3Dアトムプローブ(3DAP)による熱酸化SiO2/Si界面の構造評価も行ったが、結果は芳しいものではなかった。応力の不均一分布によって生じていると考えられる界面の凹凸構造を得ることはできたが、構造が絶縁体/半導体の積層であることから絶縁体部分でのチャージアップが問題となり、詳細な原子分布については十分な精度が得られないことがわかった。
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