サブナノイオンビームで機能化した原子層NEMSによる波動性フォノニック工学の創生

2023 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20442
• 補助金の研究課題番号: 19H05520 (2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2019)
• 審査区分: 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 水田 博 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90372458)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: グラフェン / NEMS / フォノン / ヘリウムイオンビーム / 熱整流素子

研究成果の概要

電子線直接描画と集束He+ビームを用いた超微細加工技術で、宙吊りグラフェン上に様々なナノフォノニック構造を作製した。チャネルの両端に電気・熱測定用４端子電極を形成し、独自のDifferential Thermal Leakage（DTL）法によりナノスケールの熱フォノン輸送特性を計測した。直径5～6 nmの２次元ナノ孔アレイをチャネル半面に形成した非対称ナノメッシュ構造において熱整流現象を初めて観測し、環境温度150 Kで約80%の熱整流率を得た。また幅30 nmの極細ナノリボン６本の並列チャネルをチャネル半面に形成した非対称構造では、室温で40%を超える熱整流率を得ることに成功した。

自由記述の分野

ナノエレクトロニクス

研究成果の学術的意義や社会的意義

原子層材料グラフェンのNEMS技術と電子線直接描画／集束ヘリウムイオンビーム超微細加工技術を初めて融合させ、宙づりグラフェン上にシングルナノメータスケールのフォノニック結晶構造を形成し、熱フォノン輸送を制御して熱整流素子の原理検証に成功した独創性の高い研究成果である。現在のナノ集積回路やパワーデバイスで深刻な問題となっている局所発熱に対する新たなサーマルマネジメント技術を拓くだけでなく、従来の熱電変換技術のようにレアメタルや毒性の強い重金属を含む材料を使用せず、安全で環境に優しい炭素材料で低価格のシステムを実現できるため、新学術領域開拓・新産業展開両面で波及効果が大きい。