| 研究課題/領域番号 |
25709090
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| 研究種目 |
若手研究(A)
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | ナノ構造伝熱 / フォノニクス / フォノニック結晶 / 伝熱 |
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| 研究概要 |
低環境負荷なシリコンを用いた熱電変換材料の高性能化を目的とし、ナノサイエンスに立脚したアプローチで取り組んでいる。高性能化の鍵は、電気伝導率を損なわずに、熱伝導率を低下させることであり、熱伝導を担う格子振動の量子であるフォノンの輸送を制御することである。
当該年度は、単結晶シリコンを100 nm程度の超微細周期をもつエアブリッジ構造の形成技術の開発と、ナノ・マイクロ構造の熱伝導率を光学的手法で高信頼性を持って測定できるマイクロ時間領域熱反射測定系を構築した。シリコンナノワイヤーについて、さまざまな幅の構造について熱伝導率を測定し、ナノ構造特有のバリスティックフォノン伝導を反映した結果を室温において観測した。また、周期300nmのフォノニック結晶ナノ構造のフォノニックバンド構造を計算し、最適化設計を行って構造を作製した。ナノワイヤーと比較して明確な熱伝導率の低減を観測することができた。現在、理論グループとの共同研究により、熱伝導低減のメカニズムに関する検討を進めており、表面散乱の効果とフォノニクスによる熱伝導制御効果についての考察を深めていく。
ナノ構造形成技術に関しては、当初の計画を上回って微細な構造に形成に成功している。周期100 nm以下のフォノニック結晶ナノ構造の形成が高い歩留まりででき始めており、本構造では世界で最も微細な領域に達している。これまでに例のない高い温度領域でのフォノニクスによる熱伝導制御が期待できるため、来年度に継続して構造作製と熱伝導率測定を行ってゆく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、構想通りにナノ構造における熱伝導率測定法を確立するとともに、申請時に研究計画に記したシリコンフォノニック結晶ナノ構造における熱伝導率制御を実験的に観測したため、目標は達成された。ナノ構造形成技術は、当初計画を上回る微細化を達成している。
従って、本研究は当初計画通り、あるいはやや予想を上回って進展していると言え、おおむね順調に進展しているとの評価が妥当と考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は、引き続き半導体ナノ構造による熱伝導制御を進めるとともに、熱電変換材料にとって重要な、電気的性質に対する最適化を行う。検討中のナノ構造で、優れた熱電変換能を実現可能なキャリア濃度を系統的な実験により見出し、熱電変換能の発現を目指す。
熱電変換デバイスは、n型-p型の対の多段構造から構成されるため、イオン注入によってウェハを部分的にn型およびp型にして、熱電変換能の性能指数であるZTを最大化する適切なキャリア濃度を確保する必要がある。ドープ量の異なるウェハを数種類作製し、それらを用いてナノ構造を作製する。
電気測定、熱電変換能測定用の構造形成技術もあわせて開発し、ナノ構造における電気伝導度を測定した後、Ptマイクロヒーター、温度センサーを用いて、1対のn型-ｐ型構造による熱電変換能の評価を行う。1対での測定困難な場合は、多段構造化することで対応する。前年度に確立した光学評価と、本年度確立する電気的評価による結果が合致することも確認し、信頼性を確実なものとしながら研究を進める。これらの測定技術を確立した後、様々なPnC構造のゼーベック係数および電気伝導率を測定し、熱電変換効能を定量的に評価する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
当初計画よりも旅費について使用金額を抑えることができたため、次年度使用額が生じた。
物品費または旅費としての使用を予定している。
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