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2012 年度 実績報告書

ナノ構造を利用したフォノン・電子の平均自由行程解析

研究課題

研究課題/領域番号 22560203
研究機関九州工業大学

研究代表者

宮崎 康次  九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70315159)

研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2013-03-31
キーワード熱工学 / 半導体物性 / 廃熱利用 / エネルギー全般 / マイクロ・ナノデバイス
研究概要

計画通り,SOIウエハーを材料として,一般的な微細加工技術により自立形状のSi薄膜を生成し,通電加熱することでSi薄膜の面方向熱伝導率と導電率を同時測定した.測定結果に対し,熱流体数値解析シミュレーションソフトを用いてジュール発熱を伴うSi薄膜の熱輸送を計算し,16%程度の誤差で熱伝導率を測定できていることが明らかとなった.いくつかのマイクロサイズの孔を有するSi薄膜の熱伝導率,導電率を測定したところ,導電率は古典的なMaxwellモデルで説明できる程度の低下だったことに対し,熱伝導率の低減は非常に大きく,拡散輸送モデルから大きく逸脱していた.熱伝導率の温度依存性については,低温で熱伝導率が横ばいとなっており,構造の影響を強く受けていた.特に孔を千鳥状に配置したSi薄膜では最も大きく熱伝導率が低減しており,Euckenの式といった拡散輸送モデルでは説明できない結果であった.このような結果に対し,熱を輸送するフォノンの平均自由行程を孔の無いSi薄膜実験結果とFS理論をフォノンのKn数を使ってフィッティングして求め,室温でフォノンの平均自由行程がおよそ3マイクロメートルと極めて長いことを突き止めた.薄膜の熱伝導率測定については,レーザー周期加熱法による実験で測定値をダブルチェックした.得られた平均自由行程を用いて,孔を有するSi薄膜の横方向熱伝導率をフォノンのスペクトル解析を用いて計算したところ,実験と解析でよく一致した.これらにより,マイクロメートルオーダーの構造でも,材料がSiで室温付近であれば,フォノンによる熱伝導は準弾道的な熱輸送現象になっていることを実験により示した.以上のようにマイクロ微細構造で電気を輸送するエレクトロンと熱を輸送するフォノンの輸送を人工的に制御できることが明らかとなり,例えば熱から直接発電する熱電半導体の高効率化へ応用できる基礎的な成果を得た.

現在までの達成度 (区分)
理由

24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

24年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2012 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Combined effect of nanoscale grain size and porosity on lattice thermal conductivity of bismuth-telluride-based bulk alloys2012

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Takashiri
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 112 ページ: 084315

    • DOI

      doi:10.1063/1.4759326

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heat conduction of a porous material2012

    • 著者名/発表者名
      Koji Miyazaki
    • 雑誌名

      Journal of heat transfer

      巻: 134 ページ: 051018

    • DOI

      doi:10.1115/1.4005709

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous measurements of thermal conductivity and electrical conductivity of micro-machined Silicon films2012

    • 著者名/発表者名
      Harutoshi Hagino
    • 雑誌名

      IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering

      巻: 31 ページ: 012020

    • DOI

      doi:10.1088/1757-899X/31/1/012020

    • 査読あり
  • [学会発表] In-plane Thermal and Electrical Conductivity of Si Thin Film with Periodic Microporous2012

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Kawahara
    • 学会等名
      International forum on heat transfer 2012
    • 発表場所
      Nagasaki, Japan
    • 年月日
      20121113-20121115
  • [学会発表] ハーマン法による熱電薄膜の熱電特性評価2012

    • 著者名/発表者名
      宮崎康次
    • 学会等名
      第33回日本熱物性シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      20121003-20121005
  • [学会発表] 多孔Si薄膜の熱・電気輸送特性2012

    • 著者名/発表者名
      川原庸資, 萩野春俊, 岩田尚, 宮崎康次
    • 学会等名
      第33回日本熱物性シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2012-10-03
  • [学会発表] 多孔薄膜Siの面方向熱伝導率と電気伝導率測定2012

    • 著者名/発表者名
      萩野春俊, 川原庸介, 後藤愛美, 宮崎康次
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      富山
    • 年月日
      2012-05-30
  • [備考] http://www.mech.kyutech.ac.jp/tdl/study/index.html

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公開日: 2014-07-24  

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