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

2002 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 / 群速度 / イメージング

Research Abstract

本研究目的は金属、半導体、ヘテロ構造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。最終年度である平成14年度における研究成果は次の通りである。
ピコ秒超音波法を用いた実験で明らかにされた、超格子中の垂直熱伝導率の振る舞いは(1)GaAs/AlAs超格子中の熱伝導率は、バルクGaAsにおける値に比べ1桁以上も小さく、また基本周期内の原子層数の減少と共に低下する。(2)熱伝導率は、温度が上昇するにつれ減少している。これらの実験結果に対する理論解析のために、我々はボルツマン方程式に基づく熱伝導率の表式[熱伝導率]〜[フォノンの群速度]^2×[フォノンの緩和時間]を用いた。この中でバルク固体に比べ、超格子において顕著な違いを示すことが予想されるのは、群速度と緩和時間である。これまでの超格子におけるフォノンの群速度に関する理論解析によるとフォノンの分散関係の折り返し効果による群速度の減少と禁制帯の出現により、(イ)超格子における熱伝導率は予想通り減少するが、その減少幅は実験結果と比較して小さいこと、(ロ)基本周期内の原子層数の減少に伴う熱伝導率の異常な減少を説明し得ない事、がわかっている。つまり超格子中のフォノンの緩和時間に対する理論解析が重要である。しかしながら、緩和時間に関する十分な理論は展開されていない。そこで超格子中のフォノンの非調和散乱や質量欠陥(同位体、界面の乱れ)に基因するフォノンの緩和時間を計算し、直接熱伝導率を求める代わりに、我々は原子間に非調和ポテンシャルを仮定し、分子動力学計算により熱伝導率の解析を行った。超格子中に初期温度分布を与え、それが緩和していく過程を拡散方程式の解に基づいて解析することにより、熱伝導率が求められる。欠陥を有しない超格子については、我々がすでに明らかにしたものと、本質的に同一の結果が再現された。しかし、さらに界面に原子配置の乱れを取り込んだ計算では、実験と同様に基本周期長の増大と兵に増加して行く熱伝導度が再現され、その大きさも含め、実験結果が良く説明された。

Research Products

• [Publications] K.Imamura: "Group Velocities of Phonons in Superlattices"Phys. Rev. B. 65. 174301-174310 (2002)
• [Publications] Y.Sugawara: "Watching Ripples on Crystals"Phys. Rev. Lett.. 88. 185504-185507 (2002)
• [Publications] Y.Tanaka: "Wavefront Images of Acoustic Waves in the (100) and (001) Surfaces of TeO2"Phys. Rev. B. 66. 075409-1-075409-8 (2002)
• [Publications] B.Daly: "Molecular Dynamics Calculation of the Thermal Conductivity of Superlattices"Phys. Rev. B. 66. 024301-024307 (2002)