ナノ構造中のコヒーレント音響フォノンとそのダイナミクス

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12640304
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 田村 信一朗 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80109488)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 之博 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00281791) ; 水野 誠司 北海道大学, 大学院・工学研究科, 講師 (90222322)
• Keywords: 超格子 / フォノン / 熱伝導率 / イメージング

Research Abstract

本研究の目的はナノスケールの金属、半導体薄膜、ヘテロ構造、超格子などの系におけるフォノンのダイナミクスを理論的に解明することである。研究2年度である平成13年度においては、次の(1)〜(3)のとおりの研究成果を収めた。
(1)金属超格子におけるバルクフォノンの、電子・フォノン相互作用による減衰率(α)を理論的に考察した。バルク金属における減衰率はPippard formulaによって与えられている(α〜ω).
我々は超格子中において、αが共鳴的に増大する事実を新たに見出した。その原因は電子の分散関係が、ブリルアン・ゾーンの折り返し効果によりバルクの分散関係から大幅に修正を受けるためである。その結果、フォノンの周波数と波数によっては、エネルギーと運動量の保存を満たしながら、フォノンを吸収することの出来る電子の状態密度が、発散的に増大するのである。この事実はピコ秒超音波法を用いた実験で検証することが可能である。
(2)極めて大きな異方性を示すTeO_2結晶(正方晶)の、表面を伝播する表面フォノンの波面イメージングの解析を行った。計算ではFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法を利用し、運動方程式を自由表面における境界条件の下で直接解いた。その結果、フォノン源から波面が異方的に広がって行くこと、またバルクフォノンの振幅は時間の経過と共に消滅するが、表面フォノンと、擬似表面モードは固有モードとして安定に伝播して行くことを明らかにした。またそれらの振幅強度はフォノン集束効果により説明されること、さらに波面の構造は最近のSugawaraらによるイメージング実験の結果とよい一致を示すことが判明した。
(3)半導体超格子における垂直熱伝導率(κ)の異常な低下に関する解析。
我々は以前に、フォノンの分散関係が超格子においては折り返され、新たに生じる周波数禁止帯がエネルギーを運ぶ群速度の低下をもたらすことに、その理由を求めてきたが、κの周波数依存性などを説明することが出来なかった。今回我々は分子動力学法に基づくフーリエ則の解析により、この問題に新たに取り組んでいる。予備的な結果は実験を良く再現している様に見えている。次年度にわたって更なる解析を行う予定である。

Research Products

• [Publications] H. Obata: "Symmetry of Phonon Transmission and Reflection Images in (111) Oriented Cubic Crystals"Phys. Rev. B. 64. 115430-1-8 (2001)
• [Publications] S. Tamura: "Resonant Attenuation of Acoustic Phonons in Matallic Superlattices"J. Phys. Condens. Matter. 14・4. 689-702 (2002)
• [Publications] M. Narita: "Ultrasound Focusing Images in Superlattices"J. Phys. Condens. Matter. 14・8. 1709-1722 (2002)
• [Publications] K. Imamura: "Group Velocities of Phonons in Superlattices"Phys. Rev. B. 65(印刷中). (2002)
• [Publications] Y. Sugawara: "Dynamic Visualization of Coherent Surface Phonons"Phys. Rev. Lett.. (印刷中). (2002)